小麦(Triticum aestivum L.)是重要的粮食作物,研究小麦籽粒在成熟和萌发过程中的动态变化能够为小麦产量和品质育种提供理论基础。代谢组是基因型和表型之间的桥梁,全面了解代谢物在小麦籽粒成熟和萌发过程中的组成含量变化规律有助于解析相关分子机理。代谢组学手段和遗传学设计相结合能够有效鉴定影响代谢物含量的候选基因,已经被广泛应用于水稻、玉米、番茄等作物中且近年来在小麦中也出现报道。然而,使用上述手段同时鉴定不同生长发育时期候选基因并解析代谢通路的报道相对较少。本研究利用矮抗58(AK58)和京冬8(JD8)杂交形成的159份重组自交系群体,分别对开花后三周(灌浆期)、五周(成熟期)和发芽至露白(发芽期)的籽粒进行了广泛靶向代谢组学分析。结合高密度遗传连锁图谱进行代谢物染色体位点定位,获得了大量可靠的mQTL(metabolic quantitative trait locus),通过分析三个时期mQTL的动态变化规律,筛选并鉴定出了同一途径上下游的多个候选基因,并进一步构建了小麦籽粒中的代谢网络。具体研究结果如下:1.代谢物的检测及分析:运用实验室已建立的广泛靶向代谢组学方法检测了159份小麦RIL群体籽粒三个不同时期的代谢物并进行定性定量分析,共鉴定到625种已知代谢物,包括氨基酸、核苷酸、脂质、激素、维生素、黄酮和酚胺等。625种代谢物在三个时期的变异系数(CV)多集中在20%-30%的区间内,在三个时期的广义遗传力(H~2)主要分布在0.4-0.6范围内。其中黄酮类物质在灌浆期的遗传力最高,67%以上的物质H~2>0.6。2.mQTL定位及候选基因的验证:基于小麦50k SNP芯片生成的高密度遗传图谱,在小麦籽粒灌浆期,成熟期和发芽期分别检测到3173、3143和2644个mQTL,其中52个mQTL在三个时期被共同定位到。mQTL在基因组上分布不均匀,主要富集在2B、3D和4B染色体上,且分别有50、40和44个mQTL热点在灌浆期、成熟期和发芽期中被检测到。数据挖掘共确定了177个调节代谢物水平的候选基因,通过体外酶活反应验证了Traes CS3A01G296900(酪氨酸脱羧酶)和Traes CS4B01G055300/Traes CS4B01G055400(酰基转移酶),并进一步利用advance meditation小麦转基因验证了Traes CS7A01G068600(氧甲基转移酶)和Traes CS2A01G070100(糖基转移酶)。3.动态mQTL的分析:三个时期能够定位到重合和特异性的mQTL,表明不同代谢产物在代谢途径中具有共同和特异的生物学功能,通过整合不同时期的mQTL可以更加全面地解析代谢通路。4.BMS-354825细胞培养小麦籽粒代谢网络的构建:通过整合三个阶段的mQTL结果和验证的候选基因,对小麦籽粒中代谢网络进行了构建。LY2835219生产商主要为苯丙烷下游的黄酮代谢途径及几种重要氨基酸的生物合成和分解途径,包括色氨酸、酪氨酸和精氨酸下游的酚胺代谢途径,提高了我们对复杂代谢网络的认知。5.利用代谢组学研究农艺性状:通过对625种已知代谢物与7种农艺性状进行相关性和QTL共定位分析,发现有44个农艺性状QTL(p QTL)与249个mQTL存在共定位,涉及195种代谢物。其中在4D染色体共定位区间内预测到一个同时影响糖类物质积累和千粒重的候选基因Traes CS4D01G038200(糖转运蛋白),促进了我们应用代谢组学解析小麦复杂农艺性状机理的研究。