番茄(Solanum lycopersicum)是全球栽培最广泛的水果和蔬菜作物,是人类膳食纤维和营养物质的重要来源。野生番茄经过人类的驯化改良,其产量和果实重量都发生了显著的变化。番茄的育种历史主要包括驯化、改良、分化和渐渗四个主要阶段,野生的醋栗番茄经过人类的驯化形成了樱桃番茄,而樱桃番茄经过后期改良形成大果栽培番茄。栽培番茄在育种过程中发生了各种各样的分化,红粉果的分化是一种典型的代表。另外现代育种将野生资源优良性状的基因片段渐渗到栽培番茄的基因组中,这些育种行为对番茄的代谢组产生了重要的影响,本研究系统研究了这四个主要的育种阶段番茄代谢组的变化以及生化和遗传基础。为了探究人类育种行为对番茄代谢组的影响,解析番茄营养品质相关的重要代谢途径及其调控网络,我们对610份世界各地不同类型的番茄资源进行基因组、转录组和代谢组分析。从不同组学的层次共获得2,600万个基因组变异位点、3万多个基因的表达量和980种代谢物的含量;利用mGWAS、eQTL和共表达等分析方法发现了调控514种物质的3,526个信号位点,9万多个eQTL位点,以及23万组物质含量与基因表达量显著相关的数据;并通过mGWAS和eQTL共有的SNP构建了番茄果实中代谢物-基因-遗传位点的三维互作关系,其中包含371种代谢物、970个SNPs和535个基因。本研究为番茄代谢的分子机理研究提供了源头大数据,极大推动了植物功能基因组学的发展。在驯化过程中番茄果实的重量发生了上百倍的变化,我们对群体材料进行代谢组分析,发现在驯化和改良阶段分别有389和614种代谢物的含量发生了显著变化。通过构建分离群体来模拟番茄的育种过程,发现约30%和28%的代谢物分别在这两个阶段受到果重选择的影响。然后利用果重基因fw11.3的不同渐渗系和转基因材料揭示了“搭车效应”对代谢组的影响。番茄的味道在驯化中也发生了明显的变化,结果表明从野生番茄到栽培番茄的育种过程中,具有涩味的毒性抗营养因子茄碱的含量逐渐降低。进一步的分析发现茄碱的自然变异受到5个主要遗传位点控制,且这些位点在驯化及改良过程中受到强烈选择。对其中效应最大的位点是位于10号染色体上包含P450氧化还原酶、酰基转移酶和糖基转移酶的一个基因簇进行体外实验验证,发现糖基转移酶(Solyc10g085230)外显子上有一个点突变造成提前终止,显著降低栽培番茄果实中茄碱的含量。通过两个主效的位点,能够将主要茄碱含量降低80%。为了研究红粉果的代谢组差异以及遗传基础,我们比较了44个粉果和191个红果大果番茄材料的所有代谢物,发现了122个代谢物的含量是显著差异的。利用CRISPR/Cas9技术敲除SlMYB12创造了粉果突变体,通过代谢组分析发现粉果番茄中营养因子类黄酮含量大幅下降。转录组分析发现多胺和茄碱类代谢途径的多个结构基因是差异表达的,进一步验证了SlMYB12的调控新功能。野生资源丰富的遗传和表型变异用于番茄的育种,现代番茄品种中多数抗性基因都来自于野生番茄。我们通过分析不同背景的抗病资源和分离群体,证实了抗烟草花叶病基因(Tm-2~a)的应用对番茄代谢组的影响。该研究通过多组学手段对育种过程进行全景式的分析,通过代谢组结合分子标记的“代谢组辅助育种”手段,对番茄的抗营养因子与营养因子进行定向改良,为培育番茄新品种提供理论基础,其大数据资源也将促进番茄营养、健康品质改良研究。