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植物代谢物对植物生长发育、适应环境和人类营养等都非常重要。水稻是世界上主要的粮食作物之一,同时也是单子叶植物的模式生物。对水稻代谢组进行遗传分析,鉴定代谢相关的基因功能,进一步解析代谢途径,有利于改善水稻对环境胁迫的适应性、改良稻米品质、提高水稻产量。代谢数量性状位点(m QTL)的研究是以代谢物的积累水平作为数量性状进行QTL定位,分析控制代谢物含量变异的遗传位点。本论文主要利用以珍汕97和明恢63为亲本构建的重组自交系(RIL)群体,对不同组织和不同时期的材料进行代谢取样,以一种广泛定向代谢组的分析方法进行了检测;以基于重组bin标记的高密度遗传连锁图进行了m QTL定位,获得了大量定位区间小、解释效应大的m QTL;用导入系(IL)对m QTL结果进行了验证;将不同水平的组学数据进行整合,辅以生物信息学分析的手段,筛选了一批控制代谢性状的候选基因,并对部分基因进行了功能验证;对水稻中相关的代谢途径进行了重构和完善。本论文主要结果如下:1.检测方法的验证以本室建立的基于液相色谱-质谱联用(LC-MS)平台的研究方法,对RIL群体的亲本ZS97、MH63和部分种质资源进行了检测,结果表明该方法能很好地用于实验材料的分类,能同时检测近一千种代谢物,具有很好的稳定性和准确性,可以进一步用于水稻群体大规模、高通量的代谢组分析。2.不同组织的m QTL研究在水稻抽穗期剑叶和发芽72 h种子中分别检测了683个和317个代谢物,其中100个是两个组织共同检测到的。以1,619个重组bin标记构建的高密度遗传连锁图进行m QTL定位,剑叶中的617个代谢性状共定位到1,884个m QTL,发芽种子中的302个代谢性状共定位到837个m QTL,两个组织都定位到一些置信区间很小和解释效应很大的位点。对两个组织中共同检测的代谢物及其定位到的m QTL进行比较分析,发现代谢物的积累模式在不同组织间存在很大差异,代谢物的含量也存在着复杂的遗传调控模式。m QTL并不是随机分布在各个染色体上,在剑叶的第1、第6、第7、第10染色体和发芽种子的第5、第6染色体上出现了明显的富集。以1 c M为窗口统计每个区间内m QTL的数目,在剑叶和发芽种子中分别鉴定了44个和16个m QTL热点。选取最靠近m QTL热点的重组bin,对所有已知物质进行两位点互作分析,发现了代谢性状的调控中存在显著的两位点互作。以ZS97为受体,MH63为供体的ILs,检测了64个代谢物,其中有55个代谢物的主效m QTL的效应得到了证实。结合基因组、转录组的数据,筛选了24个候选基因(9个为新基因),包括一些控制重要农艺性状和生物学过程的基因,并在此基础上重构和完善了水稻相关的代谢途径。3.不同时期的m QTL研究对水稻三个不同发育时期的种子进行了代谢组检测。在成熟期种子、发芽72 h种子和灌浆期种子中分别获得了810,836和855个代谢物的数据,其中372个为三个时期共同检测过的物质。三个时期中都有一半以上的代谢性状的变异系数超过50%,表明RIL群体不同发育时期种子的代谢组都存在很大差异。在成熟种子、发芽种子和灌浆种子分别定位到了1,506,1,575和1,600个m QTL,并分别检测到42个、39个和39个m QTL热点。比较三个时期共同检测的372个代谢物,发现各类别的代谢物在不同时期都表现出不同的紧密程度。分析这372个代谢物的m QTL,成熟种子中有303个物质定位了共746个m QTL,发芽种子中有311个物质定位了共692个m QTL,灌浆种子中有290个物质定位了共629个m QTL,然而这其中只有57个m QTL在三个时期中定位是相同的。代谢性状的定位结果多种多样,其中有95个代谢性状在三个时期都能定位到m QTL但位点却完全不同,表明了代谢组的遗传调控存在非常强的时期特异性。结合基因组、转录组的数据,分析代谢物和定位的m QTL结果,筛选到33个候选基因。4.代谢相关基因克隆利用体内转基因材料验证了两个酰基转移酶(已报道的Os Ma T-2和新鉴定的Os Ma T-3)对黄酮类物质m0723-L含量的调控作用,和一个糖基转移酶LOC_Os11g26950对黄酮类物质m0760-L含量的调控作用。比较了未知物质m0434-L(m/z 427/397)在RIL群体和自然群体中的结果,两者的定位结果非常接近,而且都非常显著;对其候选基因LOC_Os03g25500在种质资源中进行了比较测序和代谢检测,揭示了一个功能性的SNP位点(该位点在MH63中编码谷氨酸,而在ZS97中为终止密码),但该未知物质的结构解析和候选基因的功能验证还有待于深入研究。代谢物m0447-L的一个微效m QTL在自然群体中的定位结果非常显著(P=4.6×10-33);通过体内转基因实验证实了其候选基因LOC_Os07g32060对m0447-L含量的调控作用,其它26个相关代谢物的检测结果表明该基因特异性控制黄酮葡萄糖苷5号位的氧糖基化修饰。本论文的结果加深了我们对水稻代谢组的遗传和生化基础的理解,有助于搭建基因组和表型组之间的桥梁,为水稻遗传改良提供新的资源和方向。