莲是我国种植面积最大的水生蔬菜。莲的全身均具有功用,种子即莲子和地下茎即莲藕是主要的食用部位,莲花和莲叶是主要的观赏部位。栽培莲根据其不同的用途,分为子莲、藕莲和花莲三大类群,这三大类群是在人为选择和自然选择中不断发展而来的,在不断的驯化选择过程中,莲的食用价值和观赏价值也得到了不断优化和升级。通过莲的比较基因组学研究有助于揭示三大类群莲的遗传分化和人工选择的作用。在不断的驯化过程中,栽培莲体现重要的选择特点:产量高、口感好、适应性强、观赏性优等。淀粉是莲可食用的地下茎和种子中含量最高的物质。目前,关于莲的地下茎和莲子中淀粉生物学特性研究较多,但对其淀粉合成相关酶基因分子机理研究甚少。莲子兼具双子叶植物种子高蛋白含量和单子叶植物高淀粉的特点,且直链淀粉含量较高,因此子莲也是一种可用于研究高直链作物的作物。本研究通过对莲69份种质资源进行重测序分析,得到了莲驯化过程中的重要信息;针对莲子发育过程进行了转录组分析,获得了莲子发育过程中物质积累的重要数据;对莲淀粉合成过程中相关的基因克隆以及功能验证,为分子辅助育种及品质改良奠定了良好的基础。1.本研究用于重测序的69份莲种质资源,其中45份样本来自三大栽培类群,包括子莲21份,藕莲13份,花莲11份;22份样本来自野生莲类群;2份样本来自美洲莲亚种类群。利用Illumina测序技术对所有样本进行基因组重测序分析,平均测序深度为13×。共鉴定出约2,500万个单核苷酸多态性(SNP)。群体分析表明,藕莲和子莲为单系遗传均质,而花莲为双系遗传均质。野生莲种质资源种群结构分析,表明温带莲和热带莲的遗传多样性没有预期的那么显著。利用群体SNPs数据,我们确定了栽培种群体中的受选择区域,包括子莲中的1,214个区域,藕莲中的95个区域,花莲的中37个区域,这些区域的受选择基因对莲的基本驯化性状起着重要作用。此外,进一步分析这些受选择基因,发现它们主要参与物质储存、糖转运、开花调控、花分化发育、种子发育等生物学过程。2.利用Illumina HiSeq高通量测序,对莲子发育过程的四个阶段进行转录组测序分析。通过对各个阶段基因/转录本的表达变化分析,筛选出与莲子形态发育相关的高表达及差异表达基因,为揭示莲子发育的分子调控机制奠定了良好的基础。其中,各阶段高表达的基因主要涉及抗逆相关蛋白、糖合成代谢蛋白及储藏蛋白;差异表达的基因主要涉及糖代谢、信号转导及淀粉合成等生物过程。此外,结合莲子各发育阶段的形态观察及组织切片观察,重点分析了与淀粉合成通路相关的17个差异表达基因。研究发现参与支链淀粉合成相关基因NnSSS在物质积累时期表达量较低,据此推测,SSS是支链淀粉合成的限速酶,在莲子物质积累时期较低的表达水平,是支链淀粉合成减少的主要原因。3.在莲中鉴定了NnSBEI和NnSBEⅢ两个淀粉分支酶同工型基因。系统发育分析将NnSBEI分为SBE B族,NnSBEⅢ分为SBE A族。NnSBEⅢ基因多样性分析发现,在子莲中观察到一种单一的单倍型(A G G A G),UPGMA系统发育树将45株莲品种个体分为3个聚类群。基因的表达分析表明,在种子胚胎发育阶段,NnSBEⅢ在发育中期达到高峰,而NnSBEI在中后期达到表达高峰。功能分析表明,两种同工型结合支链淀粉和直链淀粉的亲和活性不同,NnSBEI表现出较高的活性和较广的亲和力。4.从莲中克隆得到了三个异淀粉酶基因NnISA1、NnISA2、NnISA3,以及一个普鲁兰酶基因NnPUL。序列分析表明,三个NnISA之间的相似度不高,在功能域较为保守,均具相同的结构域;NnPUL与其他物种对比相似度较高,具有四个功能结构域,以及五个保守的结构域序列,分析表明属于Ⅰ型普鲁兰酶。NnISA基因在不同部位的表达分析表明,NnISA1和NnISA2具有相同的表达模式,而在种子发育过程中表达分析,这种相同的表达模式被打破,NnISA1和NnISA3的表达量均高于NnISA2。对NnPUL重组蛋白的酶学特性研究表明,NnPUL重组蛋白最适温度为50℃,最适PH值为7.2,底物为普鲁兰糖时的米氏常数为2.02mg/ml。