摘要
谷子(Setaria italica(L.)P.Beauv)是我国传统的杂粮作物，具有悠久的栽培历史。谷子脱壳后称为“小米”，富含独特的营养品质包含钙、铁、锌和硒等多种微量元素以及蛋白质和维生素，是人体优质的饮食来源。随着人们生活水平的提升，杂粮食品在调整我国群众饮食结构方面发挥着重要作用，而谷子正作为重要的功能性食品原料广受关注。叶酸是主要的一碳单位的载体和供体，涉及到生物体内核酸、氨基酸和泛酸盐等代谢功能。叶酸在人类营养和健康方面具有关键作用，然而人体无法自身合成叶酸，完全依赖于日常饮食摄入来完成体内生理代谢和分子过程。目前通过代谢工程改良作物叶酸含量已有大量成功的研究报道，谷子中富含叶酸，具有叶酸生物强化潜力，也能够作为研究植物叶酸调控机制的优质材料。然而通过谷子叶酸合成关键基因生物强化提高叶酸含量的研究基础仍然薄弱，叶酸富集性状的遗传机制及关键基因的自然变异利用相关研究较少。本研究通过遗传转化手段对叶酸合成关键基因SiADCL1提高叶酸含量的功能进行验证，利用转录联合代谢组学分析策略深入解析其功能，并结合谷子核心种质资源群体的叶酸含量与基因组重测序对SiADCL1的优异等位变异进行挖掘。主要结果如下: 1.SiA4DCL1属于转氨酶Ⅳ家族，在谷子中共鉴定到11个家族成员。转座复制事件是促进谷子转氨酶Ⅳ基因成员扩张的主要动力，ADCL基因亚组与其他亚组之间独立进化并受到纯化选择。物种间直系同源基因分析表明ADCL基因与禾本科作物，以及C3和C4作物的分化命运有所联系。 2.基因复制产生的一系列旁系同源基因以及其功能分化促进了家族的扩张和新功能化，ADCL旁系同源基因之间在序列特征、基因结构和表达水平方面存在明显变异，表明ADCL基因可能的功能分化是促进转氨酶Ⅳ家族进化的重要原因。 3.组织特异性表达模式分析结果表明SiADCL1可能在谷子籽粒发育时期的叶酸积累与调控中发挥重要作用;启动子元件统计分析结果表明ADCL基因可能广泛参与到生长发育过程、水杨酸等激素信号的响应以及与相关转录因子的结合调控。 4.通过在拟南芥中异源表达SiADCL1,使植株中总叶酸含量提升1.14-1.84倍;表型鉴定结果显示过表达株系相比于野生型的开花时间明显延迟。转录联合代谢组学分析结果表明，四氢叶酸生物合成通路的活性明显增强，而5-甲基四氢叶酸合成与作为甲基供体参与的甲硫氨酸循环通路活性降低可能导致了甲基化水平降低，促进开花抑制因子表达上调;由S-腺苷甲硫氨酸合成乙烯的活性增强可能导致了内源乙烯合成通量降低;昼夜节律调控通路中，感光途径中隐花色素CRY2和光敏色素phyE表达上调，光信号转导途径中ELF3、ZTL和LKP2等基因表达上调，核心节律振荡器LHY/CCA1以及开花促进因子FT基因表达下调，以上基因协同作用可能降低了光周期敏感性;氮同化途径受限以及谷氨酰胺含量的显著降低导致了氮限制效应。以上多种途径的综合作用促进了过表达SiADCL1拟南芥株系开花延迟。 5.通过结合谷子种质资源的叶酸含量以及基因组重测序数据，基于候选基因的关联分析共鉴定到4个叶酸代谢关键基因与叶酸含量存在关联。通过单倍型分析挖掘到SiADCL1基因上6个连锁的SNP构成2种单倍型，不同单倍型品种之间叶酸含量存在差异。根据其CDS区的1个SNP设计并成功开发了 KASP分子标记辅助育种选择。利用WGNCA手段和转录因子结合预测分析挖掘到3个转录因子与SiADCL1基因启动子区的优异等位变异位点存在结合，为谷子叶酸遗传改良和优异等位变异的育种应用提供参考依据。
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