Carotenoid biosynthesis in plants has been described at the molecular level for most of the biochemical steps in the pathway. However, the cis-trans isomerization of carotenoids, which is known to occur in vivo, has remained a mystery since its discovery five decades ago. To elucidate the molecular mechanism of carotenoid isomerization, we have taken a genetic map-based approach to clone the tangerine locus from tomato. Fruit of tangerine are orange and accumulate prolycopene (7Z,9Z,7′Z,9′Z-tetra-cis-lycopene) instead of the all-trans-lycopene, which normally is synthesized in the wild type. Our data indicate that the tangerine gene, designated CRTISO, encodes an authentic carotenoid isomerase that is required during carotenoid desaturation. CRTISO is a redox-type enzyme structurally related to the bacterial-type phytoene desaturase CRTI. Two alleles of tangerine have been investigated. In tangerine mic, loss of function is attributable to a deletion mutation in CRTISO, and in tangerine 3183, expression of this gene is impaired. CRTISO from tomato is expressed in all green tissues but is upregulated during fruit ripening and in flowers. The function of carotene isomerase in plants presumably is to enable carotenoid biosynthesis to occur in the dark and in nonphotosynthetic tissues.

Abstract The softening of fleshy fruits, such as tomato (Solanum lycopersicum), during ripening is generally reported to result principally from disassembly of the primary cell wall and middle lamella. However, unsuccessful attempts to prolong fruit firmness by suppressing the expression of a range of wall-modifying proteins in transgenic tomato fruits do not support such a simple model. ‘Delayed Fruit Deterioration’ (DFD) is a previously unreported tomato cultivar that provides a unique opportunity to assess the contribution of wall metabolism to fruit firmness, since DFD fruits exhibit minimal softening but undergo otherwise normal ripening, unlike all known nonsoftening tomato mutants reported to date. Wall disassembly, reduced intercellular adhesion, and the expression of genes associated with wall degradation were similar in DFD fruit and those of the normally softening ‘Ailsa Craig’. However, ripening DFD fruit showed minimal transpirational water loss and substantially elevated cellular turgor. This allowed an evaluation of the relative contribution and timing of wall disassembly and water loss to fruit softening, which suggested that both processes have a critical influence. Biochemical and biomechanical analyses identified several unusual features of DFD cuticles and the data indicate that, as with wall metabolism, changes in cuticle composition and architecture are an integral and regulated part of the ripening program. A model is proposed in which the cuticle affects the softening of intact tomato fruit both directly, by providing a physical support, and indirectly, by regulating water status.

The tomato (Lycopersicon esculentum) chloroplast small heat shock protein (sHSP), HSP21, is induced by heat treatment in leaves, but also under normal growth conditions in developing fruits during the transition of chloroplasts to chromoplasts. We used transgenic tomato plants constitutively expressing HSP21 to study the role of the protein under stress conditions and during fruit maturation. Although we did not find any effect for the transgene on photosystem II (PSII) thermotolerance, our results show that the protein protects PSII from temperature-dependent oxidative stress. In addition, we found direct evidence of the protein's role in fruit reddening and the conversion of chloroplasts to chromoplasts. When plants were grown under normal growth temperature, transgenic fruits accumulated carotenoids earlier than controls. Furthermore, when detached mature green fruits were stored for 2 weeks at 2 degrees C and then transferred to room temperature, the natural accumulation of carotenoids was blocked. In a previous study, we showed that preheat treatment, which induces HSP21, allowed fruit color change at room temperature, after a cold treatment. Here, we show that mature green transgenic fruits constitutively expressing HSP21 do not require the heat treatment to maintain the ability to accumulate carotenoids after cold storage. This study demonstrates that a sHSP plays a role in plant development under normal growth conditions, in addition to its protective effect under stress conditions.

Plant cuticles are broadly composed of two major components: polymeric cutin and a mixture of waxes, which infiltrate the cutin matrix and also accumulate on the surface, forming an epicuticular layer. Although cuticles are thought to play a number of important physiological roles, with the most important being to restrict water loss from aerial plant organs, the relative contributions of cutin and waxes to cuticle function are still not well understood. Tomato (Solanum lycopersicum) fruits provide an attractive experimental system to address this question as, unlike other model plants such as Arabidopsis, they have a relatively thick astomatous cuticle, providing a poreless uniform material that is easy to isolate and handle. We identified three tomato mutants, cutin deficient 1 (cd1), cd2 and cd3, the fruit cuticles of which have a dramatic (95-98%) reduction in cutin content and substantially altered, but distinctly different, architectures. This cutin deficiency resulted in an increase in cuticle surface stiffness, and in the proportions of both hydrophilic and multiply bonded polymeric constituents. Furthermore, our data suggested that there is no correlation between the amount of cutin and the permeability of the cuticle to water, but that cutin plays an important role in protecting tissues from microbial infection. The three cd mutations were mapped to different loci, and the cloning of CD2 revealed it to encode a homeodomain protein, which we propose acts as a key regulator of cutin biosynthesis in tomato fruit.

Abstract Heterosis, the superiority of hybrids over their parents, is a major genetic force associated with plant fitness and crop yield enhancement. Understanding and predicting heterosis is crucial for evolutionary biology, as well as for plant and animal breeding. We investigated root-mediated yield heterosis in melons ( Cucumis melo ) by characterizing common variety grafted onto 190 hybrid rootstocks resulting from crossing 20 diverse inbreds in a diallel-mating scheme. Hybrid rootstocks improved yield by more than 40% compared to their parents and the best hybrid outperformed the reference commercial variety by 65% under both optimal and minimal irrigation treatments. To characterize the genetics of the underground heterosis we conducted whole-genome re-sequencing of the 20 founder lines, and showed that parental genetic distance was no predictor for the level of heterosis. Through inference of the 190 hybrids genotypes from their parental genomes, followed by genome-wide association analysis, we mapped multiple root-mediated yield QTLs. The yield enhancement of the four best-performing hybrid rootstocks was validated in multiple experiments with four different scion varieties. While root biology is receiving increased attention, most of the research is conducted using plants not amenable to grafting and, as a result, it is difficult to separate root and shoot effects. Here, we use the rich genetic and genomic resources of Cucumis melo , where grafting is a common practice, to dissect a unique phenomenon of root-mediated yield heterosis, by directly evaluating in the field the contribution of the roots to fruit yield. Our grafting approach is inverted to the common roots genetics research path that focuses mainly on variation in root system architecture rather than the ultimate root-mediated whole-plant performance, and is a step towards discovery of candidate genes involved in root function and yield enhancement. Highlight We show that yield heterosis is significant in melon and controlled independently above and underground. Using common-scion grafting approach, we find that heritable rootstock-mediated variation in a diallel population is associated with substantial fruit yield heterosis.

Abstract Although light is the driving force of photosynthesis, excessive light can be harmful. One of the main processes that limits photosynthesis is photoinhibition, the process of light-induced photodamage. When the absorbed light exceeds the amount that is dissipated by photosynthetic electron flow and other processes, damaging radicals are formed that mostly inactivate photosystem II (PSII). Damaged PSII must be replaced by a newly repaired complex in order to preserve full photosynthetic activity. Chlorella ohadii is a green micro-alga, isolated from biological desert soil crusts, that thrives under extreme high light and is highly resistant to photoinhibition. Therefore, C. ohadii is an ideal model for studying the molecular mechanisms underlying protection against photoinhibition. Comparison of the thylakoids of C. ohadii cells that were grown under low light versus extreme high light intensities, found that the alga employs all three known photoinhibition protection mechanisms: i) massive reduction of the PSII antenna size; ii) accumulation of protective carotenoids; and iii) very rapid repair of photo-damaged reaction center proteins. This work elucidated the molecular mechanisms of photoinhibition resistance in one of the most light-tolerant photosynthetic organisms and shows how photoinhibition protection mechanisms evolved to marginal conditions, enabling photosynthesis-dependent life in severe habitats. One Sentence Highlight Analysis of the photosynthetic properties of a desert algae that thrives at extreme high light intensities revealed protection from photoinhibition driven by the remarkable enhancement of three protection mechanisms.

Abstract Linking between genotype and phenotype is a fundamental goal in biology and requires robust data for both layers. The prominent increase in plant genome sequencing and comparisons of multiple related individuals, exposed the abundance of structural genomic variation and suggest that a single reference genome cannot represent the complete sequence diversity of a crop species, leading to the expansion of the pan-genome concept. For high-resolution forward genetics, this unprecedented access to genomic variation should be paralleled by availability and phenotypic characterization of genetic diversity, and effective integration between these layers. Here, we describe a multi-parental framework for trait dissection in melon, leveraging a novel pan-genome constructed for this crop. Melon ( Cucumis melo L.) is an important crop from the Cucurbitaceae family, which display extensive phenotypic variation available for breeding. A diverse core set of 25 founder lines ( MelonCore25 ) was sequenced using a combination of short and long-read technologies and their genomes were assembled de novo . The construction of a melon pan-genome exposed substantial variation in genome size and structure, including detection of ~300,000 structural variants and ~9 million SNPs. A half-diallel derived set of 300 F 2 populations representing all possible MelonCore25 parental combinations was constructed as framework for trait dissection through integration with the pan-genome. We demonstrate the potential of this unified framework for genetic analysis of various melon traits, including rind color and mottling pattern, fruit sugar content and resistance to fungal diseases. We anticipate that utilization of this integrated resource will enhance genetic dissection of important traits and accelerate melon breeding. Significance statement Pan-genomes aim to address the abundance of genome structural variation within species for improved genomic analyses. New pan-genome, constructed from de novo genome assemblies of 25 diverse melon ( Cucumis melo L.) accessions is integrated with a half-diallel derived set of 300 F2 populations representing all possible parental combinations. The potential of this unified multi-parental trait dissection framework for melon genetics and breeding is presented.