玉米籽粒代謝組的生化及遺傳基礎(chǔ)研究.pdf

1、植物體會(huì)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(zhǎng)發(fā)育及脅迫應(yīng)答過(guò)程，同時(shí)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(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上發(fā)揮著非常重要的作用。我們通過(guò)對(duì)玉米籽粒中代謝產(chǎn)物的分析，并結(jié)合基因組學(xué)，遺傳學(xué)和表達(dá)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(guò)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(xué)研究方法，能夠有效的建立二級(jí)

2、質(zhì)譜標(biāo)簽(MS2T)數(shù)據(jù)庫(kù)。在玉米籽粒中，我們利用一種步進(jìn)MIM-EPI（多離子檢測(cè)模式-增強(qiáng)子離子掃描）的方法，一共獲得了983個(gè)幾乎沒(méi)有重復(fù)的特征代謝產(chǎn)物，并完成了其中184個(gè)代謝物質(zhì)的鑒定和標(biāo)注。然后以此MS2T數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，利用sMRM（多反應(yīng)檢測(cè)模式）對(duì)種植在不同地點(diǎn)的玉米3個(gè)關(guān)聯(lián)群體和2個(gè)RIL（重組自交系）群體一共702份材料進(jìn)行了相對(duì)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(duì)368份玉米關(guān)聯(lián)群體材料中9

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

4、群體定位的1459個(gè)顯著位點(diǎn)中有14.7％能夠被這些mQTL所證實(shí)。
　　在玉米籽粒的基因功能研究中，我們的研究重點(diǎn)放在鑒定和注釋了的19個(gè)酚胺，39個(gè)黃酮和8個(gè)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(gè)候選基因。一系列如重測(cè)序，表達(dá)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(lái)解析基因的潛在功能和變異。我們一共完成了5個(gè)候選基因的驗(yàn)證，其中PHT和CCoAOMT1在后面的研究中還經(jīng)過(guò)突變體和轉(zhuǎn)基因進(jìn)行

5、了進(jìn)一步功能驗(yàn)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(diǎn)之一。我們通過(guò)對(duì)代謝產(chǎn)物的化學(xué)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(yàn)證，在玉米籽粒中重新構(gòu)建了酚胺和黃酮兩個(gè)途徑的代謝網(wǎng)絡(luò)。
　　代謝性狀作為一種可測(cè)定的表型，在研究中發(fā)現(xiàn)同一些復(fù)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(gè)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