整合多亲本染色体片段代换系群体研究水稻代谢数量性状位点

Rice produces a large number of metabolites, they are not only important for rice itself in the growth and development, but also, provide indispensable resources for humans' nutrition. Understanding the genetic and biochemical basis of rice metabolome is essential for the quality improvement. At present, cloning the candidate gene and dissecting the metabolic pathway based on mQTL is a popular strategy for metabolome research. In this project, we are going to integrate multi-parental connected chromosomal segment substitution line (CSSL) populations to study the rice mQTL. On one hand, we expect to find out the ideal population for the mQTL mapping of some given metabolites, to assign a series of candidate genes and verify the function of them. On the other hand, according to the mQTL results of the same metabolite (or the same kind) among different populations, also combining the varieties of genetic architecture and genome, we are looking forward to reconstructing some new metabolic pathways. Finally, we want to provide some theoretical and practical basis for the metabolic diversity research based on multi-parental connected populations and show a novel strategy for quality improvement in rice.

水稻产生大量代谢产物，这些代谢产物不仅对水稻自身的生长发育非常重要，而且也为人类提供多种必需营养物质。因此，研究水稻代谢组的遗传和生化基础，有助于水稻的遗传改良尤其是品质改良。目前，研究代谢组常用的方法是通过代谢数量性状位点的定位来克隆控制代谢物的基因并解析代谢途径。本项目主要目的是期望通过对有关联的多亲本染色体片段代换系（CSSL）群体的整合来研究水稻代谢数量性状位点（mQTL）。通过对三个受体相同（珍汕97）而供体不同（日本晴、明恢63和ACC10）的CSSL群体进行mQTL定位，分析出不同种类的群体所适合进行定位的相关类型的物质，确定一系列候选基因并进行验证。同时，根据同一类物质（或同一种物质）在不同群体的定位结果，结合群体遗传结构和基因组的多样性，解析出新的代谢途径。从而为利用整合多人工群体进行代谢物多样性的生化及遗传基础研究提供实践及理论依据，为水稻的品质改良提供新的思路。

代谢组学分析技术与各种遗传群体相结合是一种研究植物代谢组学强有力的手段。然而，在已经发表的论文中，水稻代谢组的遗传基础研究主要是通过自然群体或者单一的双亲群体来进行的，它们分别的缺点是背景太复杂或者变异过于单一。本研究则利用三个相互关联的染色体片段代换系群体来研究水稻剑叶中代谢物多样性的遗传基础。我们通过三个不同的供体亲本（ACC10，Minghui63和Nipponbare）分别导入到同一受体亲本（Zhenshan97），从而形成了三套具有相同遗传背景的的染色体片段代换系群体（分别命名为A/Z，M/Z和N/Z），进一步结合代谢谱和遗传连锁图谱展开了mQTL的定位。结果显示，A/Z，M/Z和N/Z三个群体分别定位到684，479和722个mQTL，总数量达到1587个，利用这些mQTL也进一步确定了99个候选基因。此外，我们通过对这三个群体进行联合作图分析，又定位到1001个新的mQTL，并且从这些新的mQTL中筛选出25个新的候选基因。我们进一步对所获得的部分候选基因进行了生物学功能的验证，例如，通过超量表达证明基因LOC_Os07g01020可以提高水稻吡哆醇和糖基化吡哆醇的含量；通过体外酶活实验证明糖基转移酶LOC_Os04g25980可以催化生成糖基化的顺式玉米素。我们也通过mQTL的定位结果推测出了黄酮O-methylapigenin C-pentoside的合成通路，然后进一步利用图位克隆的办法克隆了其合成途径的关键基因LOC_Os04g11970并进行了功能鉴定。此外，有研究表明，樱花素（甲基化黄酮）具有抗病功能，因此，我们推测O-methylapigenin C-pentoside具有相似的生物学功能，实验结果也表明O-methylapigenin C-pentoside含量低的RNAi材料对更容易感染白叶枯病。本项研究证明了多群体联合可以更高效定位更多数量的有效QTL，同时也更利于对mQTL进行后续基因的确定以及功能代谢组的深入研究。以上研究策略也被进一步应用于小麦的代谢组学研究并且解析了小麦的黄酮代谢通路。综上表明，多群体结合高通量代谢组学分析技术是一种研究植物代谢物遗传和生化基础的有效手段。