植物体会产生大量结构和生理功能不同的代谢产物,这些代谢产物不仅参与植物的生长发育及胁迫应答过程,同时也为人类的生存提供了必要的物质基础。玉米是世界第一大粮食和饲料作物,在世界经济和农业生产上发挥着非常重要的作用。我们通过对玉米籽粒中代谢产物的分析,并结合基因组学,遗传学和表达谱的分析方法,能够有效的解析籽粒代谢组的遗传基础和自然变异。通过基于LC-MS(液相色谱-质谱联用仪)系统的广谱定向代谢组学研究方法,能够有效的建立二级质谱标签(MS2T)数据库。在玉米籽粒中,我们利用一种步进MIM-EPI(多离子检测模式-增强子离子扫描)的方法,一共获得了983个几乎没有重复的特征代谢产物,并完成了其中184个代谢物质的鉴定和标注。然后以此MS2T数据库为基础,利用sMRM(多反应检测模式)对种植在不同地点的玉米3个关联群体和2个RIL(重组自交系)群体一共702份材料进行了相对定量。为了解析玉米籽粒代谢组的自然变异和生化基础,我们首先对368份玉米关联群体材料中983个特征代谢产物进行了mGWAS(代谢组全基因组关联分析)研究,最终从3个重复的结果中得到了1459个显著位点(P≤1.8×10-6)。分析发现与这些位点关联的候选基因有1197个,这些候选基因中有58.5%能够被表达QTLs支持(eQTLs)。为了验证mGWAS结果,我们还利用BB(B73/By804)和ZY(Zong3/Yu87-1)两个RIL群体,对793个代谢产物定位了1876个mQTL(代谢数量性状座位)。经过对比发现,关联群体定位的1459个显著位点中有14.7%能够被这些mQTL所证实。在玉米籽粒的基因功能研究中,我们的研究重点放在鉴定和注释了的19个酚胺,39个黄酮和8个色氨酸代谢途径产物定位上,最终确定这些代谢产物一共定位到了50个候选基因。一系列如重测序,表达QTL分析,候选基因关联分析的手段在我们研究中被用来解析基因的潜在功能和变异。我们一共完成了5个候选基因的验证,其中PHT和CCoAOMT1在后面的研究中还经过突变体和转基因进行了进一步功能验证。在完成基因的功能之后,代谢网络的构建也是我们研究的重点之一。我们通过对代谢产物的化学结构分析,确定了代谢产物潜在的合成路径和物质间的上下游关系,并结合转基因和突变体材料的遗传验证,在玉米籽粒中重新构建了酚胺和黄酮两个途径的代谢网络。代谢性状作为一种可测定的表型,在研究中发现同一些复杂的生物性状相关。我们利用逐步回归方法,一共发现了42个代谢产物同玉米籽粒的百粒重(HKW)表型显著相关(P≤0.05),在第二重复中26个代谢产物能解释72.6%的百粒重表型变异。这提示代谢产物能够能被用作生物标志物(Biomarkers),这对促进玉米的遗传改良具有重要意义。
