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决明子是豆科植物决明(Cassia obtusifolia L.)或小决明(Cassia tora L.)的干燥成熟种子,是国家食品药品监督管理总局规定的药食同源的材料之一。决明子具有清肝明目、润肠通便以及降压调脂等功效,近年来受到越来越多的关注,同时也将决明遗传背景不清、良种缺乏以及分子水平研究滞后等问题暴露出来。本研究团队通过对航天诱变处理的决明子进行多年多点的栽培研究,从大量航天诱变决明株系中筛选出编号为QC10、QC29和QC46的三个种子中橙黄决明素含量较高,且产量稳定的决明株系。通过与47份不同产地决明子样本中质量标志物含量进行对比,评价了航天诱变株系决明子质量的优劣,同时对分布于我国不同地区的决明种群遗传多样性及种群结构进行了研究,明确了决明遗传水平及种群结构的特点。另一方面,通过对航天诱变决明材料进行转录组测序、蛋白质组质谱鉴定以及两组学联合分析的方法深入探讨了航天诱变决明株系与对照株系之间差异形成的机制,筛选出大量差异表达基因及差异表达蛋白。结合决明中蒽醌类物质的代谢途径,对关键步骤的差异表达基因萘甲酸盐合成酶基因进行了克隆及功能验证,初步阐明了航天诱变株系的变异机制。综合遗传多样性分析、转录组测序、蛋白质组质谱鉴定以及萘甲酸盐合成酶基因的功能验证等试验结果,得到了以下基本结论:1.通过ISSR、SCo T分子标记结合决明子形态特征的方法研究了分布于我国不同地理区域的决明种群遗传多样性水平。结果表明分布于我国的决明种群具有较高的遗传多样性,其中西南地区的决明种群遗传多样性水平最高,西北地区的决明种群遗传多样性最低。不同地区决明子中橙黄决明素、大黄酚两种质量标志物含量差异较大。航天诱变株系QC46种子中橙黄决明素的含量显著高于其他株系。2.以航天诱变决明株系的种子为材料进行转录组测序分析表明QC10、QC29以及QC46与对照株系之间存在显著差异。QC10、QC29及QC46与对照之间分别鉴定到487、745及2770个差异表达基因,差异表达基因分别注释到11、5以及16条代谢通路。差异表达基因主要富集在光合作用、光合作用-天线蛋白以及苯丙烷代谢、泛醌以及其他萜类-醌类生物合成以及黄酮代谢等次生代谢途径。差异表达基因数量以及KEGG通路富集分析均表明航天诱变株系QC46与对照株系之间差异最为显著。3.基于转录组分析的结果选择航天诱变株系QC46与对照株系进行Label free蛋白质组学分析。QC46种子(SPS)与对照种子(GCS)之间共鉴定到20个差异表达蛋白,其中上调表达12个、下调表达8个;QC46叶片(SPL)与对照叶片(GCL)之间共鉴定到52个差异表达蛋白,其中上调表达31个、下调表达21个。差异表达蛋白主要富集在植物的糖类物质代谢、泛醌以及其他萜类-醌类生物合成、苯丙烷代谢以及与植物抗逆相关的途径。4.对航天诱变株系QC46进行转录-蛋白组学的联合分析的结果表明两组学之间相关性较低。在转录水平鉴定到的大部分差异表达基因在蛋白水平未表现出显著差异。转录-蛋白联合分析中共鉴定到15个在转录、蛋白水平变化趋势一致的差异表达基因,这些差异表达基因主要富集在光合作用、泛醌以及其他萜类-醌类生物合成、苯丙烷代谢以及脂类代谢途径。实时荧光定量PCR分析的结果表明转录组、蛋白质组学试验结果准确、可靠。5.基于转录-蛋白组学联合分析的结果以及对决明中蒽醌类物质合成途径的分析,选取决明萘甲酸盐合成酶基因(So Men B)进行克隆,并通过决明毛状根遗传转化体系对其功能进行验证。结果表明So Men B含有长度为1014 bp的完整开放阅读框,将序列信息提交Gen Bank数据库获得基因登录号(MF582452)。So Men B编码337个氨基酸,理论分子量为37.2 KDa,预测等电点为8.21。组织特异性表达分析表明So Men B在子叶、新叶中表达量较高,而在根中表达量较低。分别构建So Men B基因的过表达和反义表达载体并转化决明毛状根体系,验证So Men B对决明毛状根中蒽醌类物质合成的影响。结果表明过表达So Men B的转基因毛状根中决明橙黄决明素、大黄酚含量显著提高,而反义表达So Men B则抑制了毛状根中这两种次生代谢物的积累,表明So Men B在决明蒽醌类物质合成通路中起正向调控的作用。航天诱变株系QC46中So Men B的高表达是QC46株系种子中橙黄决明素积累量较高的原因。本研究以航天诱变决明株系为研究对象,通过转录组、蛋白质组学联合分析以及对差异表达基因进行克隆及功能验证,初步阐明了航天诱变株系QC46的变异机制,证明了So Men B基因在决明蒽醌类物质合成通路中的重要作用,为进一步选育决明优良品种提供了理论参考。此外,本研究结果丰富了决明的转录组数据库,填补了决明蛋白质组学数据的空白。