谷子起源于中国,是我国北方重要的杂粮作物,脱壳后称为小米。米色是评价谷子品质的重要指标,目前关于米色的形成机制尚不明确。本研究以黄色(晋谷21和长农35)和白色(支生谷和牛毛白)谷子品种为对照材料,研究了总类胡萝卜素含量及其重要组分叶黄素和玉米黄质含量与小米米色形成的关系;对比分析了 14个类胡萝卜素代谢相关基因在谷子籽粒发育不同阶段的表达模式,并对类胡萝卜素生物合成途径中第一个关键酶基因SiPSY1进行了克隆与序列比对分析,从生理水平和分子水平共同探讨了小米米色形成的分子机制,主要研究结果如下:1.采用CIEL*a*b*色度仪系统相关米色指标(L*、a*、b*和CCI)对不同发育阶段黄色和白色小米米色进行测定,结果表明:小米越黄,b9值越高,黄度指标b*可以很好地表征小米米色差异;黄度b*与亮度L*呈显著负相关(r=-0.702;p<0.05),与红度a*呈显著正相关(r=0.783;p<0.01),与CCI指数没有明显相关性。2.利用分光光度计和高效液相色谱技术(HPLC)对不同发育阶段小米总类胡萝卜素含量、叶黄素含量和玉米黄质含量进行测定,结果表明:小米类胡萝卜素主要由叶黄素和玉米黄质组成(两者约占总类胡萝卜素的90%),其中尤以叶黄素为主,且黄色小米中的含量均显著高于白色小米。黄度6*与总类胡萝卜素含量、叶黄素和玉米黄质含量均表现出不同程度的显著正相关。3.采用实时荧光定量PCR,对不同发育阶段小米类胡萝卜素代谢途径相关基因的表达模式进行分析,结果表明:SiPSY1在黄色和白色小米中的差异表达(黄米>白米)发生在S4时期,尤以晋谷21和牛毛白中的差异最为明显(相差约13倍),该基因与其他类胡萝卜素生物合成相关基因的表达大多呈显著正相关性,而SiPSY2和SiPSY3与合成途径相关基因没有表现出明显相关性,推测影响类胡萝卜素积累的3个SiPSY同源基因中,SiPSY1起主要作用,其在灌浆后期的差异表达是小米黄色素差异积累的主要因素之一。SiCCDs为双加氧裂解酶基因,在类胡萝卜素降解中起关键作用,该基因前期表达稳定,中后期表达逐渐升高。SiCCDJa与总类胡萝卜素含量和叶黄素含量呈显著负相关,且整个灌浆阶段白米中SiCCD1a的表达量普遍高于黄米,表明SiCCD1在不同小米中的差异表达(白米>黄米)是类胡萝卜素差异积累的另一主要因素,进而影响米色形成。SiHYD随灌浆进行,表达量呈上升趋势,促使β,β-分支途径的β-胡萝卜素大量转化为玉米黄质,是黄米灌浆后期玉米黄质积累的主要原因。此外,SS HYD表达与类胡萝卜素生物合成途径β,ε-分支主要酶基因(SiLCYE、SiCYP97C)的表达呈一定负相关性,表明SiHYD可能主要在β,β-分支途径发挥作用。4.通过对支生谷和牛毛白SiPSY1基因的克隆鉴定,及其与晋谷21、长农35和豫谷1号SiPSY1基因的序列比对,结果表明:SiPSY1编码的蛋白是一个定位于叶绿体、含一个跨膜结构域的亲水性稳定蛋白。4个米色品种SiPSY1的基因组DNA序列存在差异,白色品种较黄色品种在内含子区存在更多大片段的插入和缺失;外显子处的突变只有牛毛白第5个外显子2212bp处的单碱基突变(T变为C)造成了氨基酸序列变异(苯丙氨酸变为亮氨酸),但该突变并未引起其蛋白质理化性质及其二、三级结构变化,推测该突变并未引起蛋白功能的改变,可能需要从SiPSY1相关调控基因或其启动子区域序列变异入手进一步分析其表达差异的原因。综上所述:生理水平,小米中主要积累的叶黄素和玉米黄质是小米黄色形成的主要原因。分子水平,SiCCDi基因对类胡萝卜素的降解作用是白米米色形成的主要原因,尤其是SiPSY1与SiCCD1在灌浆中后期黄色与白色小米中的差异表达,使得白米中类胡萝卜素合成速率下降,降解速率增加,造成黄色与白色小米中类胡萝卜素的差异积累,进而影响米色形成。