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水稻是对Cd吸收最强的大宗谷类作物,Cd通过根部-木质部-韧皮部-籽粒的运输途径进入稻米中,经食物链进入人体,对人体健康造成一定的危害。因此,了解低Cd水稻品种的分子机制,有利于解决我国稻米品质安全的问题。基于上述问题,本研究建立了基于亲水作用色谱和反相色谱四极杆-飞行时间质谱技术的水稻代谢物的分析方法,通过水培实验对低Cd水稻突变体和野生型的生态指标进行了测定,筛选出二者的表型差异的Cd浓度及处理时间,同时利用代谢组学技术鉴定出差异特征代谢物,并对差异代谢产物参与的代谢途径进行阐述总结,期望为进一步揭示水稻品种的低Cd积累机制的相关研究提供理论依据,主要研究结果如下:(1)采用Q-TOF/MS分析技术,比较不同提取方法对水稻代谢物提取结果的影响,建立了RPLC和HILIC相结合的水稻代谢物分析方法。以检出峰数目、初步鉴定的代谢物数量、种类以及代谢途径为指标,探讨了甲醇-三氯甲烷-水,甲醇-三氯甲烷-氨水,甲醇-MTBE-水3种提取方法和不同色谱系统对水稻代谢物提取及分离的效果。结果表明,甲醇-三氯甲烷-水对水稻代谢物的检出覆盖率最高,提取到的独有代谢物最多,分别为苯甲酸、木樨草素、α-亚麻酸、乌头酸、赤霉素A12醛、异牧荆素、L-谷氨酸;HSS T3和XBridge Amide色谱柱同时应用实现了对极性不同的代谢物较全面的检测,初步鉴定到16种有机酸、17种核苷酸、21种氨基酸、66种脂肪酸、11种磷脂、7种鞘脂,XBridge Amide在分离检测磷脂和鞘脂类化合物方面具有明显优势;鉴定到的代谢物所涉及的代谢途径为嘌呤代谢、嘧啶代谢、三羧酸循环、精氨酸代谢、脂肪酸代谢、磷脂代谢、鞘脂代谢、苯丙氨酸代谢以及维生素B2的合成。两种色谱柱初步鉴定到的代谢物和涉及的代谢途径均存在一定的互补性,该方法能够应用于水稻代谢表型的差异性研究。(2)采用低Cd水稻突变体和野生型为实验材料进行水培实验,设置了0、0.1、5μmol/L的Cd浓度梯度处理,并对其进行2 h、1 d、3 d、7 d、15 d的动态取样,研究了不同Cd浓度、取样时间对水稻生长的影响。低Cd水稻突变体和野生型根长、株高、根部干重和地上部干重均随取样时间的延长而增加;当添加Cd浓度(0.1μmol/L和5μmol/L)时,低Cd水稻突变体的生长均没有受到抑制作用,而对应的野生型的生长随Cd的增加受到不同程度的抑制,0.1μmol/L时,野生型与其CK相比没有受到明显抑制,5μmol/L时,野生型的生长受到较明显的抑制;0.1μmol/L处理下,低Cd水稻突变体和野生型的根长、株高、根部干重和地上部干重在不同的取样时间内均无显著差异,5μmol/L处理15 d后二者表现出显著差异;添加Cd浓度(0.1μmol/L和5μmol/L)时,低Cd水稻突变体根部和地上部的Cd含量在不同取样时间内均显著低于野生型,其体内可能存在某些化合物能够抵抗Cd胁迫。(3)利用基于亲水作用色谱和反相色谱四极杆-飞行时间质谱技术的水稻代谢物分析方法对5μmol/L的Cd浓度处理15d的低Cd水稻突变体和野生型所产生的表型差异进行差异代谢物研究。结果表明,低Cd水稻突变体和野生型在根部中共有25个差异代谢物,氨基酸类如丙氨酸、氨基丁酸、缬氨酸、天冬氨酸、脯氨酸,脂类如油酸、植物鞘氨醇、癸酸、PG(20:5(5Z,8Z,11Z,14Z,17Z)/0:0)、PA(19:3(10Z,13Z,16Z)/0:0)、PA(18:2(9Z,12Z)/0:0)这些化合物发生显著变化,对植物抵抗重金属Cd作用较大;地上部中共有22个差异代谢物,有机酸类苹果酸、柠檬酸、延胡索酸,维生素B类如核黄素(维生素B2)、吡哆醛(维生素B6)和泛酸,氨基酸类如羟脯氨酸变化显著,其他氨基酸对水稻的耐Cd性机理需要进行深一步的研究与探索。结合低Cd水稻突变体和野生型的差异代谢物可能参与的代谢途径,主要是氨基酸代谢、有机酸代谢、维生素B类的合成、脂类代谢及三羧酸循环,这些代谢途径的变化可能与低Cd水稻突变体的较强耐Cd性有较大的联系。