玉米籽粒代謝組的生化及遺傳基礎(chǔ)研究.pdf

1、植物體會產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)和生理功能不同的代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物不僅參與植物的生長發(fā)育及脅迫應答過程，同時也為人類的生存提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。玉米是世界第一大糧食和飼料作物，在世界經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上發(fā)揮著非常重要的作用。我們通過對玉米籽粒中代謝產(chǎn)物的分析，并結(jié)合基因組學，遺傳學和表達譜的分析方法，能夠有效的解析籽粒代謝組的遺傳基礎(chǔ)和自然變異。
　　通過基于LC-MS（液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀）系統(tǒng)的廣譜定向代謝組學研究方法，能夠有效的建立二級

2、質(zhì)譜標簽(MS2T)數(shù)據(jù)庫。在玉米籽粒中，我們利用一種步進MIM-EPI（多離子檢測模式-增強子離子掃描）的方法，一共獲得了983個幾乎沒有重復的特征代謝產(chǎn)物，并完成了其中184個代謝物質(zhì)的鑒定和標注。然后以此MS2T數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用sMRM（多反應檢測模式）對種植在不同地點的玉米3個關(guān)聯(lián)群體和2個RIL（重組自交系）群體一共702份材料進行了相對定量。為了解析玉米籽粒代謝組的自然變異和生化基礎(chǔ)，我們首先對368份玉米關(guān)聯(lián)群體材料中9

3、83個特征代謝產(chǎn)物進行了mGWAS（代謝組全基因組關(guān)聯(lián)分析）研究，最終從3個重復的結(jié)果中得到了1459個顯著位點（P≤1.8×10-6）。分析發(fā)現(xiàn)與這些位點關(guān)聯(lián)的候選基因有1197個，這些候選基因中有58.5％能夠被表達QTLs支持(eQTLs)。為了驗證mGWAS結(jié)果，我們還利用BB(B73/By804)和ZY（Zong3/Yu87-1）兩個RIL群體，對793個代謝產(chǎn)物定位了1876個mQTL（代謝數(shù)量性狀座位）。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，關(guān)聯(lián)

4、群體定位的1459個顯著位點中有14.7％能夠被這些mQTL所證實。
　　在玉米籽粒的基因功能研究中，我們的研究重點放在鑒定和注釋了的19個酚胺，39個黃酮和8個色氨酸代謝途徑產(chǎn)物定位上，最終確定這些代謝產(chǎn)物一共定位到了50個候選基因。一系列如重測序，表達QTL分析，候選基因關(guān)聯(lián)分析的手段在我們研究中被用來解析基因的潛在功能和變異。我們一共完成了5個候選基因的驗證，其中PHT和CCoAOMT1在后面的研究中還經(jīng)過突變體和轉(zhuǎn)基因進行

5、了進一步功能驗證。在完成基因的功能之后，代謝網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建也是我們研究的重點之一。我們通過對代謝產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)分析，確定了代謝產(chǎn)物潛在的合成路徑和物質(zhì)間的上下游關(guān)系，并結(jié)合轉(zhuǎn)基因和突變體材料的遺傳驗證，在玉米籽粒中重新構(gòu)建了酚胺和黃酮兩個途徑的代謝網(wǎng)絡(luò)。
　　代謝性狀作為一種可測定的表型，在研究中發(fā)現(xiàn)同一些復雜的生物性狀相關(guān)。我們利用逐步回歸方法，一共發(fā)現(xiàn)了42個代謝產(chǎn)物同玉米籽粒的百粒重(HKW)表型顯著相關(guān)(P≤0.05)，在第二