水稻代謝數(shù)量性狀位點研究及代謝相關(guān)基因克隆.pdf

1、植物代謝物對植物生長發(fā)育、適應(yīng)環(huán)境和人類營養(yǎng)等都非常重要。水稻是世界上主要的糧食作物之一，同時也是單子葉植物的模式生物。對水稻代謝組進行遺傳分析，鑒定代謝相關(guān)的基因功能，進一步解析代謝途徑，有利于改善水稻對環(huán)境脅迫的適應(yīng)性、改良稻米品質(zhì)、提高水稻產(chǎn)量。
　　代謝數(shù)量性狀位點(mQTL)的研究是以代謝物的積累水平作為數(shù)量性狀進行QTL定位，分析控制代謝物含量變異的遺傳位點。本論文主要利用以珍汕97和明恢63為親本構(gòu)建的重組自交系(R

2、IL)群體，對不同組織和不同時期的材料進行代謝取樣，以一種廣泛定向代謝組的分析方法進行了檢測;以基于重組bin標記的高密度遺傳連鎖圖進行了mQTL定位，獲得了大量定位區(qū)間小、解釋效應(yīng)大的mQTL;用導入系(IL)對mQTL結(jié)果進行了驗證;將不同水平的組學數(shù)據(jù)進行整合，輔以生物信息學分析的手段，篩選了一批控制代謝性狀的候選基因，并對部分基因進行了功能驗證;對水稻中相關(guān)的代謝途徑進行了重構(gòu)和完善。本論文主要結(jié)果如下:
　　1.檢測方法

3、的驗證以本室建立的基于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)平臺的研究方法，對RIL群體的親本ZS97、MH63和部分種質(zhì)資源進行了檢測，結(jié)果表明該方法能很好地用于實驗材料的分類，能同時檢測近一千種代謝物，具有很好的穩(wěn)定性和準確性，可以進一步用于水稻群體大規(guī)模、高通量的代謝組分析。
　　2.不同組織的mQTL研究在水稻抽穗期劍葉和發(fā)芽72 h種子中分別檢測了683個和317個代謝物，其中100個是兩個組織共同檢測到的。以1，619個重組

4、bin標記構(gòu)建的高密度遺傳連鎖圖進行mQTL定位，劍葉中的617個代謝性狀共定位到1，884個mQTL，發(fā)芽種子中的302個代謝性狀共定位到837個mQTL，兩個組織都定位到一些置信區(qū)間很小和解釋效應(yīng)很大的位點。對兩個組織中共同檢測的代謝物及其定位到的mQTL進行比較分析，發(fā)現(xiàn)代謝物的積累模式在不同組織間存在很大差異，代謝物的含量也存在著復雜的遺傳調(diào)控模式。
　　mQTL并不是隨機分布在各個染色體上，在劍葉的第1、第6、第7、第1

5、0染色體和發(fā)芽種子的第5、第6染色體上出現(xiàn)了明顯的富集。以1 cM為窗口統(tǒng)計每個區(qū)間內(nèi)mQTL的數(shù)目，在劍葉和發(fā)芽種子中分別鑒定了44個和16個mQTL熱點。選取最靠近mQTL熱點的重組bin，對所有已知物質(zhì)進行兩位點互作分析，發(fā)現(xiàn)了代謝性狀的調(diào)控中存在顯著的兩位點互作。以ZS97為受體，MH63為供體的ILs，檢測了64個代謝物，其中有55個代謝物的主效mQTL的效應(yīng)得到了證實。結(jié)合基因組、轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)，篩選了24個候選基因（9個為新

6、基因），包括一些控制重要農(nóng)藝性狀和生物學過程的基因，并在此基礎(chǔ)上重構(gòu)和完善了水稻相關(guān)的代謝途徑。
　　3.不同時期的mQTL研究對水稻三個不同發(fā)育時期的種子進行了代謝組檢測。在成熟期種子、發(fā)芽72 h種子和灌漿期種子中分別獲得了810，836和855個代謝物的數(shù)據(jù)，其中372個為三個時期共同檢測過的物質(zhì)。三個時期中都有一半以上的代謝性狀的變異系數(shù)超過50％，表明RIL群體不同發(fā)育時期種子的代謝組都存在很大差異。在成熟種子、發(fā)芽種子

7、和灌漿種子分別定位到了1，506，1，575和1，600個mQTL，并分別檢測到42個、39個和39個mQTL熱點。
　　比較三個時期共同檢測的372個代謝物，發(fā)現(xiàn)各類別的代謝物在不同時期都表現(xiàn)出不同的緊密程度。分析這372個代謝物的mQTL，成熟種子中有303個物質(zhì)定位了共746個mQTL，發(fā)芽種子中有311個物質(zhì)定位了共692個mQTL，灌漿種子中有290個物質(zhì)定位了共629個mQTL，然而這其中只有57個mQTL在三個時期中

8、定位是相同的。代謝性狀的定位結(jié)果多種多樣，其中有95個代謝性狀在三個時期都能定位到mQTL但位點卻完全不同，表明了代謝組的遺傳調(diào)控存在非常強的時期特異性。結(jié)合基因組、轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)，分析代謝物和定位的mQTL結(jié)果，篩選到33個候選基因。
　　4.代謝相關(guān)基因克隆利用體內(nèi)轉(zhuǎn)基因材料驗證了兩個酰基轉(zhuǎn)移酶(已報道的OsMaT-2和新鑒定的OsMaT-3)對黃酮類物質(zhì)m0723-L含量的調(diào)控作用，和一個糖基轉(zhuǎn)移酶LOC_Os11g26950

9、對黃酮類物質(zhì)m0760-L含量的調(diào)控作用。比較了未知物質(zhì)m0434-L(m/z427/397)在RIL群體和自然群體中的結(jié)果，兩者的定位結(jié)果非常接近，而且都非常顯著;對其候選基因LOC_Os03g25500在種質(zhì)資源中進行了比較測序和代謝檢測，揭示了一個功能性的SNP位點（該位點在MH63中編碼谷氨酸，而在ZS97中為終止密碼），但該未知物質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析和候選基因的功能驗證還有待于深入研究。代謝物m0447-L的一個微效mQTL在自然群體