水稻(OryzasativaL.)是世界范围重要的粮食作物,养活了接近一半的世界人口。水稻离子组包括其体内全部微量和痕量矿质营养元素,在植物生长发育过程中起到至关重要的作用,如生长,发育,抗病和逆境应答。以大米为主要食物的人群,获取矿质营养的主要来源就是大米。促进水稻对必需元素的吸收和阻控有害元素的积累,对粮食安全和人类健康尤为重要。水稻代谢组,特别是次生代谢物是水稻生命活动最直接的体现,研究其遗传基础对理解水稻重要农艺性状的遗传及生化调节机理作用巨大。本研究以533份水稻种质资源为对象,通过ICP-MS和LC-MS/MS技术,检测了水稻不同组织的离子组和代谢组,并以此为基础结合重测序结果,做了 GWAS分析,得到以下结果:1.水稻不同类型种质资源氮素利用效率存在差异研究表明水稻籽粒对N素营养具有富集作用,不施氮肥处理能更好的激发水稻对氮素的利用潜力;且高产品种具有更强的氮素吸收积累能力和更高的氮素利用效率;增施氮肥有利于矮秆材料产量的提升;早熟品种其氮素积累量及其它相关指标较低,导致产量水平不高;此外,籼稻比粳稻具有更多的氮素积累量和更高的氮素利用效率。根据成熟期秸秆和籽粒氮素积累总量、氮素籽粒生产效率和产量聚类,将533份材料分为高吸收高利用高产、低吸收高利用高产和低吸收低利用低产3大类,据此筛选出35份极端材料作为氮高效吸收利用研究的备选材料。2.水稻离子组分布特异性及各元素之间的相关性533份供试材料的离子组存在广泛变异,在不同土壤环境下,不同组织中,籼稻和粳稻不同亚种间离子组分布存在差异。具体表现为:水稻不同组织中离子组分布特性:N、P、Cu和Mo表现出在糙米富集的特性,有利于稻米品质的提升;而K、Ca、Mg、B、Na、Mn、Fe和Zn在秸秆富集,这有利于促进水稻光合作用、抗逆和抗倒伏。Al、Co、As、Cd和Pb糙米比秸秆含量低,说明水稻自身存在阻控重金属离子由营养器官向生殖器官转移的潜力。不同田间土壤环境下水稻离子组分布特性:海南(HN)土壤里的Mo含量显著高于其他田间处理,导致HN处理下水稻各组织中Mo含量明显高于其他处理。Zn和Cd含量以湖南攸县(YX)土壤中最高,导致YX材料各组织中Zn和Cd含量显著高于其他处理。不同亚种间离子组分布特性:除粳稻糙米里Cd含量明显比籼稻低外,多数元素在粳稻各组织中含量要高于籼稻。PCA分析表明籼稻和粳稻在应对缺氮胁迫时,调控植株体内离子组分布的机制不同。相关性分析结果显示:水稻种质秸秆中的Zn/Co含量之间存在极显著正相关;在正常施肥处理条件下,水稻秸秆的Mn/Cd及Mn/Cu之间存在极显著正相关;此外,抽穗期(HD)与Cd之间普遍存在显著正相关。3.水稻离子组GWAS及候选基因选择和验证对正常施肥处理和不施氮肥处理条件下水稻离子组进行了 GWAS扫描分析,获得了 850个lead SNPs,其中有139个位点重复性较好,并选取OsMOT1、OsCCX2、OsZIP5和OsGhd7作为候选基因,并通过大田试验初步验证了OsGhd 调控N和Cd分布的功能。4.水稻代谢组GWAS及遗传基础研究对493份种质5叶期叶片的840种代谢物进行了检测,发现籼粳之间存在明显的差异。根据代谢组测定结果,进行mGWAS分析,对其中的5个候选基因做了代谢功能验证。由于mGWAS定位的准确性,据此鉴定了 166个未知代谢物,说明mGWAS不仅可以鉴定基因的功能,也能鉴定未知代谢物。进一步分析mGWAS的热点区域,发现籼粳之间存在较大差异,在所有扫描到的514个位点中,超过2/3的位点籼、粳之间存在差异,且这种差异在籼、粳特异性物质的定位结果上表现的更加明显。