随着我国居民生活水平的提高,优质粳米消费需求“南移西扩”趋势明显,消费量快速提升。在南方有条件的地区稳步推进“籼改粳”已成为农业部促进粳稻生产、增加粳米供应的重要举措。垩白是胚乳中白色不透明的部分,是最重要的稻米外观品质指标之一,也是影响碾米品质和蒸煮食味品质的重要因子。近年来,新育成品种垩白达标率有所提高,但在江苏等南方粳稻主产区仍然普遍存在主栽品种垩白米率较高、垩白度较大等问题。以满足经济发达地区日益增长的优质米需求为目标,在稳产基础上,改良外观品质,尤其是降低垩白米率已成为南方粳米产业发展的当务之急。因而,开展粳稻垩白研究,揭示垩白的形成与调控机制,对于推进我国南方稻区“籼改粳”进程具有重要的理论和实际应用价值。稻米垩白是由基因型与环境共同控制的,涉及碳、氮等多种代谢和调控途径的复杂性状。垩白遗传机理的复杂性、代谢途径的多样性及对环境因子响应机制上的多变性,致使目前垩白相关基因鉴定、克隆等遗传机理研究以及调控垩白的农艺措施研究进展缓慢。本研究以创制的高腹白腹切米突变体DY1102为材料,在有效消除遗传背景和环境因素影响的基础上,比较分析了成熟期垩白胚乳和透明胚乳之间在形态结构、生化组分和蛋白表达等方面上的差异。同时,采用转录组学、蛋白质组学和代谢组学等系统生物学技术,整合分析了发育颖果中腹白相关基因的表达特征及其调控的代谢网络。主要研究结论如下:(1)成熟籽粒的理化分析结果表明,垩白胚乳和透明胚乳在形态结构和生化组成上差异显著。垩白胚乳中淀粉粒结构疏松、颗粒之间存在明显空隙,部分淀粉粒表面存在微孔。垩白胚乳中淀粉含量显著增加,蛋白质、氨基酸含量则显著降低。与透明胚乳相比,垩白胚乳中支链淀粉聚合度小于12的短链显著增加,而长链降低。在矿质元素上,垩白效应使得As、Ba、Cd、Cr、Mn、Na、Sr及V元素含量显著增加,B、Ca、Cu、Fe和Ni元素含量显著降低,在总P、植酸P、K、Mg和Zn元素含量上则无显著差异。胚对胚乳总蛋白质和氨基酸组分含量,以及除Ca外的其余16元素含量均有显著的负效应,启示出胚效应在垩白研究中的重要性。(2)成熟籽粒蛋白的iTRAQ全谱分析显示,垩白胚乳和透明胚乳在蛋白表达上差异显著,主要表现在碳水化合物代谢以及蛋白质合成、折叠和降解等方面。利用iTRAQ技术分析了成熟籽粒腹白胚乳蛋白质的表达谱特征。通过比较分析鉴定了113个与垩白相关的差异表达蛋白,其中70个蛋白表达上调,余下43个表达下调。其中,在碳代谢中,淀粉的合成、降解以及细胞壁合成过程均可能参与垩白形成。蛋白质代谢是差异表达蛋白中的第一大类,占其总数的27.4%。在垩白组织中鉴定到PDIL2-3和BiP等蛋白显著下调,由此推断蛋白质代谢在垩白形成过程中具有重要作用。此外,还鉴定了与垩白相关的ROS清除、离子转运、信号转导途径以及胁迫反应等相关蛋白,为垩白形成的分子机理及生化基础研究提供了参考。(3)颖果发育代谢组学研究表明,垩白形成可能主要与淀粉、蛋白及细胞壁合成途径等合成能力降低有关。采用非靶向代谢组分析技术,比较了发育过程中的腹切米突变体籽粒垩白和造明部位在代谢组上的差异。共鉴定出籽粒发育过程相关的214个代谢物,主要参与中心代谢途径及部分次生代谢途径的代谢物。比较垩白和透明部位在代谢物上的差异,发现与垩白相关的180种差异代谢物。代谢途径分析表明,垩白部位参与淀粉和蛋白等贮藏物质合成的相关代谢物表达降低。与此同时,ROS清除系统中抗坏血酸和α-生育酚含量,及其他具抗氧化代谢物如PAs含量均增加。渗透调节代谢物如甜菜碱、海藻糖以及棉子糖均含量增加。螯合矿质元素离子的植酸及合成前体含量均增加,而转运矿质元素离子的烟酰胺及植物鞘氨醇均下降。并伴随ROS清除系统、渗透调节、细胞壁合成和离子平衡等代谢过程的扰动。研究结果初步揭示了垩白形成相关的代谢网络,并探讨了胚在垩白形成中的作用。(4)颖果发育转录组和蛋白质组联合分析结果显示,垩白部位碳、氮代谢转向次生代谢,醇溶蛋白累积降低,果皮光合作用能力降低。通过利用RNA-Seq和iTRAQ技术分析发育颖果中垩白部位及透明部位的基因表达特性,从3 8476个基因和4646个蛋白中鉴定到了 240个差异基因和363个差异蛋白,实现了垩白相关基因发掘的准确聚焦。在碳、氮代谢上,垩白胚乳中心碳代谢及氧化磷酸化受抑而产能减少,含硫氨基酸及芳香族氨基酸代谢增强,且转向次生合成。淀粉降解和细胞胞壁分解增强。在蛋白质代谢上,垩白胚乳因核糖体蛋白表达下调使得合成能力减弱,非泛素介导的蛋白酶相关基因表达的上调使其降解能力增强,最后导致醇溶蛋白尤其是13kD亚基累积降低。在物质转运和激素代谢上,碳氮代谢底物相关转运子表达均增强,参与激素合成及其激素的受体及转运载体整体呈表达上调趋势。此外,垩白部位果皮光合能力降低。基于以上转录组和蛋白组学的平行分析,本研究初步揭示了垩白相关的基因调控网络,为揭示垩白形成与调控机制提供参考。综合以上结果,垩白的形成虽然是一个受控于多种代谢途径和多个细胞器、组织互作的复杂过程,但仍有路(pathway)可循。特别是在碳、氮代谢的转向、蛋白合成能力降低而降解能力增强所致的13kD亚基降低,以及胚和果皮在垩白形成中的作用等方面为垩白研究提供了有价值的新参考。另一方面,本研究所利用的腹切米突变体材料,能有效消除基因型和环境的干扰,准确聚焦于垩白相关的核心代谢或基因,初步展示了新材料创制在栽培生理研究中的应用前景。