植物油在人类生活中扮演着重要的角色,它是人体必需的重要营养物质之一,又是潜在的生物能源,还是重要的工业原料。大豆、棉花、油菜、芝麻是重要的油料作物,种子中的油脂含量分别为20%,30%,40%和50%。同时,他们有各自特有的脂肪酸组成。虽然,基于拟南芥的研究结果,对油脂代谢的主要途径已经了解得比较清楚,已有大量应用分子生物学方法分离其油脂合成相关基因的报道。但是,油脂含量及组分是复杂的数量性状,受到遗传、母体、环境等多种因素的影响。为了揭示大豆、棉花、油菜、芝麻种子发育过程中油脂合成、修饰、积累的差异,本研究对这四类双子叶油料作物进行了大规模转录组测序,以单子叶作物玉米的转录组数据作为对比,在五种作物中鉴定重要油脂代谢相关基因家族,结合油料种子实际测定含油量和脂肪酸组分数据,系统地比较了在种子发育过程中基因的差异表达及油脂代谢、糖转运、糖酵解等相关基因的表达,挖掘和探讨影响物种间油分差异的调控因素。主要研究结果如下:1、大豆、棉花、油菜、芝麻的总油分含量和总蛋白含量之间是负相关关系;四种作物种子中油脂含量由低到高分别为:大豆(20%)、棉花(30%)、油菜(40%)、芝麻(50%)。主要的脂肪酸组分为棕榈酸、油酸、亚油酸、亚麻酸,在成熟种子中含量总和大于80%,但每种作物的脂肪酸组分具有特异性,大豆和棉花中亚油酸含量最高,其次为油酸,同时含有相对较高比例的棕搁酸,在棉籽油中还检测到了介于C22:1至C24:0之间的长链脂肪酸类型。油菜种子中单不饱和脂肪酸油酸含量最高,其次为亚油酸,在低油油菜中含有较高的芥酸。芝麻中总脂肪酸含量最高,油酸、亚油酸大致相当。可见,大豆、棉花、油菜、芝麻这四种重要的油料作物的总油脂含量梯度递增,同时有着各种独特的脂肪酸组成。2、以拟南芥油脂代谢数据库中的736个油脂相关unigene为参照标准,鉴定出玉米、大豆、棉花、油菜、芝麻5种作物的油脂代谢相关基因分别为1177,1530,2096,2652,718个,占基因组注释总基因的2.62-2.97%。可见,脂肪酸含量的高低与油脂基因总数无直接关系。鉴定出的油脂基因中,参与脂肪链伸长和蜡质、鞘脂合成途径相关的基因数目最多。但是,在进一步的分析中我们发现,在染色体上,脂肪酸从头合成、去饱和、伸长转运、TAG合成、油体贮存途径相关的24类酶的编码基因具有串联成簇现象。在大豆、棉花、油菜、芝麻这四个主要的油料作物中,油脂基因的成簇分布明显多于玉米。其中LTP基因家族、CYP450基因家族在油料作物中出现了明显的扩增。3、胚珠发育过程中代谢途径基因表达模式解析。选取大豆、棉花、油菜、芝麻四种油料作物开花后0、10、20、30、40DPA的胚珠进行转录组测序,另加参考玉米转录组数据,总共获得原始数据量560.93Gb,过滤后492.05Gb,高质量reads占到83.20%;转录本mapping到各自参考基因组之后,平均比对率87.58%。对每类作物胚珠发育过程中5个时期进行相邻比较,筛选差异基因,然后按照统一标准为五种油料作物分别构建Mapman配套的全基因组功能分类注释,对高油材料的时期间差异基因做了功能富集得出以下主要结果:单子叶作物玉米的代谢模式与四种双子叶油料作物存在明显区别,玉米胚珠发育过程中,差异基因主要富集于氛基酸代谢和蛋白质代谢途径,没有富集到油脂代谢的TAG合成途径,而四类油料作物中,在一个或多个时期明显富集到TAG合成途径;除油菜外,玉米、大豆、棉花、芝麻的糖酵解、脂肪酸从头合成途径相关基因在胚珠发育的早期(0-20dpa)明显富集,而在30-40 dpa之后,差异基因主要富集于TAG合成途径。可见,随着种子的成熟,脂肪酸的从头合成逐渐减缓,转为油脂的积累。油菜中,TAG合成相关基因从20-40dpa表达量持续增强。从基因的整体表达水平来看,除玉米、大豆外,FAS、TAG合成基因的整体表达水平都是先增强后减弱。而芝麻的油脂合成、TAG积累、油脂的氧化基因一直处于比较活跃的表达状态。特别是油体形成相关基因OBO,STERO和CALO随着胚珠发育的过程表达量显著增高。油体形成相关基因的表达量与五大作物种子中油脂含量的差异一致。4、构建了五种油料作物的油脂代谢相关基因的表达谱。发现五种油料作物的亚油酸与亚麻酸含量变化呈正相关,而油酸含量与二者之和呈负相关,这和FAD、SAD家族基因的表达量变化一致。说明SAD基因、FAD2、FAD3基因家族的相对表达量与种子中油酸、亚油酸、亚麻酸的相对含量相关。5、油脂代谢的转录调控网络解析。许多转录因子在调控油脂的合成与代谢过程扮演了重要的角色,如B3结构域超级家族基因LEC1,WRI,ABI3、ABI4随着种子发育过程表达量逐渐升高,并且在高含油率的油料作物中明显高表达,而抑制因子HSI2/VAL1、HSL1/VAL2则表现出相反的表达趋势。总之,本研究通过系统地比较大豆、棉花、油菜、芝麻这四种不同含油量的作物种子形成过程中的油脂基因表达情况,为揭示引起它们油脂含量差异的分子机制提供了有价值的科学依据,也为油料作物的油脂含量及组分的分子遗传改良提供了重要的候选基因。