多倍体化是一种普遍的自然现象,是植物进化的主要动力。绝大多数开花植物在进化历程中至少经历过一轮以上多倍体化事件。目前农业生产中很多农作物为多倍体,包括小麦、油菜、棉花、马铃薯、甘蔗等。果树类作物中多倍体也十分普遍,包括香蕉、草莓、猕猴桃、柿等。现存的二倍体包括拟南芥、玉米、水稻等,其实是经过二倍体化的古多倍体。多倍体化通常伴随着多种多样的性状变异,具有很好的农业利用价值,尤其是在提高生物量和环境适应性等方面。前人研究主要集中在多倍体化后植物形态生理变异和涉及的基因组、转录调控、表观修饰变异等相关机制解析。代谢物与植物生长、发育及环境适应性等密切相关。同时,植物很多代谢物如糖、有机酸、Vc、氨基酸、类胡萝卜素、类黄酮等,是人类生命活动必须的营养物质。然而,多倍体化对植物的代谢影响及其分子机制还很大程度上不清楚。本研究以我国常用柑橘砧木—资阳香橙、红橘、枳,短童期资源—早实枳,以及栽培品种‘鄂柑1号’椪柑为实验材料,在已发掘其双二倍体的基础上,比较了双二倍体(4x)与二倍体(2x)在形态和代谢水平上的差异,并从转录水平解析其变异机制。主要研究结果如下:1.基因组加倍提高资阳香橙(Citrus junos Sieb.ex Tanaka)叶片胁迫相关代谢物积累和胁迫相关基因表达,促进其耐胁迫能力。与2x亲本相比,资阳香橙4x具有典型的形态和解剖特征,如植株矮小,叶片大而厚,气孔变大,气孔密度变低。GC-MS分析表明,四倍体化对叶片初级代谢产物的积累有促进作用;许多与胁迫相关的代谢物如蔗糖、脯氨酸和γ-氨基丁酸(GABA)在4x显著上调。LC-MS分析表明,四倍体化对次生代谢的积累有抑制作用;检测到的33种黄酮均在4x下调。RNA-seq分析表明,4x和2x叶片之间212个基因(检测到的基因的0.8%)显著差异表达。值得注意的是,这些基因与逆境响应高度相关,包括对盐胁迫、水和脱落酸的反应。此外,部分转录差异和代谢变化不吻合,可能由转录后调控引起。2.基因组加倍在红橘(Citrus reticulata Blanco)、枳(Poncirus trifoliata L.Raf.)和早实枳(P.trifoliata L.Raf.)叶片引起的代谢变异不是完全随机的,其促进TCA循环中间底物积累,抑制次生代谢物积累。红橘、枳和早实枳的4x具有典型的多倍体形态特征,表现为植株矮化、叶片增大增厚、气孔增大和气孔密度降低,表明基因组加倍在柑橘属和枳属中引起共同的形态变化。对3组4x和2x亲本进行非靶向代谢组学分析,结果表明:主成分分析将3组4x和2x的代谢组明显区分,意味着基因组加倍引起明显的代谢组成变异;3组4x和2x有11%-34%的总检测代谢物含量存在显著差异,绝大部分差异代谢物的差异倍数都小于5,表明基因组加倍对代谢的影响程度有限。初生代谢在基因组加倍后增强,尤其是TCA循环中间物,柠檬酸、苹果酸、富马酸和琥珀酸的含量在所有4x都高于2x。因此,基因组加倍后的代谢变化并非完全随机,其中TCA循环在植物应对多倍体化过程中可能起着重要的作用。同时,次生代谢在基因组加倍后受到抑制,3组材料4x中,大部分苯丙烷类和萜类代谢物的含量普遍比2x低。此外,3组材料的C/N比在基因组加倍后都显著降低。以上结果表明:为应对基因组加倍初期引起的基因组胁迫,植物通过促进初生代谢为生长发育提供所需的碳源和能量,同时通过抑制次生代谢减缓碳源和能量消耗。3.基因组加倍通过抑制成熟后期柠檬酸的运输和降解利用,促进椪柑(Citrus reticulata Blanco)果实柠檬酸积累。椪柑4x的形态特征和2x亲本明显不同,4x具有更大的叶片、花器官、果实和种子。值得注意的是,4x果实中种子大幅减少。果实品质分析表明,4x果实可滴定酸、Vc和总酚含量连续3年比2x亲本显著提高。柠檬酸是椪柑果实的主要有机酸,其含量增高是4x果实有机酸显著提高的主要原因。4x果实的主要可溶性糖和氨基酸含量和2x亲本相比无明显差异,表明柠檬酸含量增高不影响4x果实中糖和氨基酸的积累。类胡萝卜素和类黄酮组成分析表明,4x果实的大部分类胡萝卜素和类黄酮含量相比2x亲本显著降低,表明基因组加倍对果实次生代谢物积累有抑制作用。基因表达分析显示,果实成熟过程中柠檬酸合成相关基因在同源4x和2x间无表达差异,表明4x果实积累更多柠檬酸,不是因为其柠檬酸合成能力高于2x。果实成熟后期(花后180 d和210 d),柠檬酸运输相关基因,包括液泡H~+-ATPase(VHA)、液泡H~+-PPase(VHP)和柠檬酸/H~+协同转运体(CsCit1),在4x中显著下调表达,意味着其柠檬酸运输能力低于2x。同时,柠檬酸降解途径中的GABA支路相关基因,包括谷氨酸脱羧酶(GAD)、γ-氨基丁酸透性酶(GABP)和γ-氨基丁酸转氨酶(GABA-T),以及ACL支路相关基因柠檬酸裂解酶(ACL)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)也在4x显著下调表达,表明4x柠檬酸降解和利用效率在果实成熟后期低于2x。因此,在果实成熟后期,4x的柠檬酸运输能力低于2x,同时柠檬酸降解和利用效率也低于2x,导致4x果实积累更多柠檬酸。本研究从代谢角度阐释多倍体化对柑橘类植物的影响,丰富了植物多倍体化相关基础理论;本研究同时为植物多倍体育种,特别是柑橘砧木抗性和果实品质改良提供了新的基础理论支撑。