水稻杂种优势的代谢模式研究

The utilization of heterosis is the main way to improve crop yields.The mechanism of heterosis is still not clear, although it has been studied from multiple levels of molecular genetic, transcriptomics, proteomics,howerver,it is still not clear. As a complex phenotype, production itself is closely related to metabolism. Metabolomics, studying the whole plant metabolome, is one of the effective ways to investigate the heterosis of rice. This project came from the early discovery that there were an equilateral triangle relationship between the metabolic matrix between minghui 63, zhenshan 97 and its hybrid shanyou 63 in the grain filling stage. In order to thoroughly explore the metabolic mechanism between the different production levels combinations, this project selected minhui 3301 restorer lines, and five male sterile lines and their hybrid offspring respectively, as different combinations. Using high-throughput analysis methods such as GC-TOF/MS and LC-QTOF/MS, analysis the metabolic change patterns of representative organizations of 11 rice varieties in the critical developmental stages. Based on the morphological phenotype and production levels, establish a metabolic model between the different hybrid combinations by multivariate analysis and pattern recognition technology. Further, identification the key metabolites related with the production, validation the reliability of metabolic model and providing theoretical guidance for hybrid breeding.

杂种优势利用是目前有效提高作物产量的主要途径，人们已经从分子遗传、转录组、蛋白质组学等多个层面进行研究，然而杂种优势的机理还不是很清楚。产量是一种复杂表型，本身和代谢密切相关，以研究植物整体代谢的代谢组学，是解析水稻杂种优势的有效手段之一。前期研究显示，亲本明恢63、珍汕97和杂种汕优63灌浆期的代谢谱成等边三角形的关系。为了深入研究杂种优势的代谢机理，本项目选用闽恢3301恢复系，5个不育系及它们的杂交后代，组成不同产量水平的杂交组合。采用GC-TOF/MS和LC-QTOF/MS高通量分析方法，建立11个水稻品种关键发育时期和代表性组织的代谢谱，以植株形态和产量表型作为依据，通过多变量分析、模式识别技术，解析水稻杂种优势的代谢机理，初步建立预测杂种优势的代谢模型，并验证模型的可靠性，鉴定与产量相关的关键代谢物，为杂种选育提供理论依据。

本项目以植物代谢组学为手段，研究闽恢3301恢复系，5个不育系及它们的杂交后代，组成不同产量水平的杂交组合。完成了苗叶、分芽、分叶、灌浆6天叶、灌浆6天种子、灌浆20天叶、灌浆20天种子的取材，完成株高、分蘖数、结实率、千粒重和产量的表型统计。为解决植物代谢组学关键技术问题，项目成员完成基于GC-MS代谢组学数据分析软件QPMASS的开发，采用C++语言，Sector/Sphere 并行化运算平台和动态规划等对齐方法，解决不同样本之间峰对齐的关键问题；对各种质谱信号的特征进行总结归纳，巧妙地，创新性地基于一系列组合的实验策略，探索出了一套LC-MS分析流程和质量控制流程。该策略能够有效消除70%多的假阳性，大大提高数据的可靠性和准确性；从四个层次建立水稻次生代谢物数据库，目前包括已知化合物920个词条信息，大大增加水稻代谢物的化学注释能力。从2012年和2013年结果来看，目前推广比较好的杂交组合全优3301、II优3301、泰优3301、连优3301、天优3301产量相差不大，而且容易受到环境的影响。通过对不同时期的不同水稻代谢谱的比较，可以看出不同的时期不同的组织累计的代谢物明显不同。将所有的组合、不同组织器官和不同生理时期的样品放在一起，主成分分析是不能将它们分开。但是在排除生育时期和组织器官的差异，单独比较开花后20天的叶和籽粒，在恢复系、不育系和杂种在PCA图谱上呈现三角形的趋势。结果与我们原来的结果一致（珍汕、明恢和汕优组合）。我们推测杂种组合之间如果代谢谱符合这种三角形关系，容易产生杂种优势效应。以杂种天优3301为基准，将天丰B和明恢3301的峰面积除以天优3301的峰面积，代谢物含量变化Fold change > 2或者<0.5，并且t-test p-value<0.5的峰作为有显著性差别的峰。对差异代谢物注释后，大部分推断性鉴定的化合物主要是黄酮类化合物，而且大部分化合物在一种或两种亲本中含量较低，而在杂交种中含量明显比亲本增加。项目目前已发表3篇中文文章，有两篇英文文章已经撰写完毕，准备投稿。以项目为依托，协助培养硕士生2名，参与本科生1名，部分工作作为2名博士后的部分研究内容。