水稻杂种优势的代谢组学初步研究及候选基因挖掘

明确杂种优势分子机理有助于显著提高杂交稻育种效率。目前杂种优势研究多选用亲本差异位点过多的个别典型强优势组合为材料，且多局限于基因或蛋白表达谱的研究，有一定局限性。针对该问题，本课题组成功选育了与轮回亲本蜀恢527（骨干恢复系）分别仅有3、4个片段差异，但配制组合杂种优势显著不同的两个导入系WD7和WD34。本项目在此基础上，利用蜀恢527、WD7、WD34分别与协青早A配制的三个组合为研究材料，利用代谢物轮廓谱图为主并结合代谢指纹分析的代谢组学技术，系统分析水稻不同生育期、不同组织中代谢物种类及含量变化，初步明确导致WD7和WD34杂种优势显著发生变化的重要代谢物及代谢途径；并在此基础上，结合本课题组对该套材料的基因表达谱研究结果，借助生物信息学，预测并验证重要候选基因。研究结果将极大推进对水稻杂种优势机理的理解，促进杂交稻亲本选配及育种工作的有效开展。

为明确与水稻杂种优势表达有关的代谢基础，本项目以蜀恢527（SH527）、SH527为遗传背景的导入系WD7和WD34分别与协青早A (XA) 配制的杂交组合为研究材料（WD7，WD34与XA配制杂交组合产量分别低、高于SH527组合），利用气质谱联用技术（GC-MS）系统检测了不同生育时期水稻叶及根系代谢物种类及含量变化，并调查了相关农艺性状及田间产量。结果表明，XA/WD34中有利于光合产物积累的光合面积及库容量的增加源自恢复系WD34。代谢物检测结果则显示，叶及根系代谢物平均含量均随着植物的生长发育显著降低。在各不同生育期，相对于XA/SH527，XA/WD34与XA/WD7的代谢物变化差异主要表现为，在XA/WD34叶片、根系中分别有较多的物质显著增加和降低，如叶片中有7-12种代谢物含量显著增加，半胱氨酸、岩藻糖、肌醇半乳糖苷、绿原酸及二十酸在至少两个生育期均增加；根系中则有5-11种物质显著降低，其中缬氨酸、丙酮酸及腐胺的含量在两个生育期表现出显著降低；同样的物质在XA/WD7中表现为相反的变异。亲本之间比较，相对于SH527，WD34与WD7之间发生显著正反差异的代谢物多在WD34的叶、根中表现为增加。在各不同生育期，叶片中有8-14种代谢物显著增加，其中密二糖、绿原酸、维生素E、吡喃葡萄糖酸和苯乙烯酸等在至少两个生育期表现出增加；根系中则有5-11种代谢物显著增加，其中4-氨基丁酸、丙酮酸、纤维二糖、6-磷酸-葡萄糖、甘氨酸和色氨酸的含量在至少两个生育期显著增加。同时发现，4-氨基丁酸、抗坏血酸、水杨酸及奎尼酸等抗逆物质在强杂种优势组合的亲本及杂交种分别或同时增加。本研究在杂交种及恢复系中分别检测到在不同生育期显著影响杂种优势表现的代谢物，研究结果不仅极大丰富了对水稻杂种优势代谢基础的理解，同时，在此基础上，结合相同样品材料的转录学研究结果及生物信息技术，将有助于挖掘可能的功能基因，推进对水稻杂种优势分子机理的理解。