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水稻苯丙烷代谢物时空分布及其自然变异的遗传基础研究

【摘要】:植物次生代谢产物在植物生长发育、生物与非生物胁迫应答中发挥着重要的作用。类黄酮,作为一类苯丙氨酸代谢产生的多酚类化合物,在植物中生理过程中参与着重要的作用,如根的生长、花的传粉、病原菌及紫外胁迫,同时作为一种很强的抗氧化剂,也被广泛应用于人体疾病治疗与食品保健。酚胺,是精氨酸与苯丙氨酸代谢过程中产生的一大类多胺类次生代谢产物,影响着种子萌发、花粉育性、旱、冷、紫外与病原菌胁迫等重要的植物生理过程。水稻是人类最重要的粮食作物之一,探索不同类型黄酮与酚胺类物质在水稻中的积累模式对于解析水稻生长发育,逆境应答及营养品质等性状有着重要的意义。在模式植物拟南芥中类黄酮合成与积累的研究主要侧重在花青素和黄酮醇。在单子叶模式植物水稻中,类黄酮物质,尤其是黄酮及其修饰物的积累模式与自然变异的相关研究缺乏。利用水稻不同时期组织及自然变异群体的材料,通过基于LC-MS/MS的广泛靶向代谢组学方法,我们注释鉴定了水稻中91个类黄酮物质,其中包括72个黄酮、9个黄烷酮、6个黄酮醇和4个花青素物质。分析这91个类黄酮物质在水稻中的组织特异性与时空特异性的积累模式,我们发现水稻类黄酮在叶子中的含量最高,其次是茎秆、穗子与种子,而根中类黄酮物质含量最低。通过比较类黄酮物质在不同水稻亚种,粳稻与籼稻中的含量差异,我们发现了不同母核,不同糖基化,不同酰基化修饰的类黄酮物质在亚种间的存在显著的差异。其中,碳糖糖基化的类黄酮、第5位氧糖基化及丙二酰基化的类黄酮在籼稻亚种中含量大多要高,在粳稻亚种中含量要低,而第7位氧糖基化的类黄酮及某些羟基肉桂酰基化修饰的类黄酮则呈现相反的积累模式;水稻类黄酮生物合成的结构基因已有所报道,我们下载了研究中使用的自然种质材料的这些结构基因单核苷酸多态性基因型数据,并进行结构基因基因型与类黄酮物质含量的直接关联性分析,进一步揭示了类黄酮物质自然变异的遗传基础,结果表明类黄酮物质的自然变异可能与黄酮合成途径结构基因编码区基因型的差异相关。利用广泛靶向及靶向代谢组的方法,我们鉴定了16个水稻酚胺物质,包括胍丁胺,腐胺和亚精胺一次或多次羟基肉桂酰酰基化的衍生物。分析不同酰基化修饰的酚胺在水稻不同组织、不同品种中的积累模式,结果表明酚胺的积累呈现非常特异性的组织积累及时空积累模式。与类黄酮的积累模式有很大差异的是,大多酚胺在根中含量非常高。此外,不同修饰的酚胺物质含量在水稻亚种间存在巨大差异。其中,亚精胺类衍生物在粳稻中含量很高,在大多籼稻中几乎检测不到积累。芥子酰酰基化的胍丁胺和腐胺呈现类似的积累模式,而香豆酰酰基化修饰的胍丁胺和腐胺呈现相反的积累模式,它们在粳稻中含量大多较低,很多籼稻中较高。进一步进行这些酚胺代谢物的全基因组关联分析,我们定位了多个控制酚胺含量自然变异的位点。通过对大效应位点的分析,获得了羟基肉桂酰酰基化的亚精胺物质合成的候选基因Os12g27220和Os12g27254,并通过分子及遗传分析,鉴定了亚精胺类酚胺合成的基因。通过全基因组关联分析,利用基因到代谢物的策略为功能基因的研究与作物遗传育种将提供新的资源与思路。

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