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不同作物品种或基因型在氮效率（NUE）方面存在极显著的遗传变异。然而,有关氮效率性状研究相比产量和品质等性状进展较为缓慢,这些差异的生理和分子机制仍然知之甚少,限制了育种家对氮效率的进一步遗传改良。因此,研究揭示农作物氮高效利用的遗传分子机理、挖掘作物高效利用氮素的生物学潜力,是作物氮高效品种改良的重要途径,具有重要的科学价值和现实意义。在本论文的研究中,首先利用新型甘蓝型油菜氮效率极端材料的基因组重测序、转录组测序、以及苗期和成熟期的农艺和生理性状,分析油菜氮高效的生理分子机制;进而在营养液培养苗期和大田成熟期调查甘蓝型油菜自然群体的氮效率相关性状,借助重测序获得的高密度SNPs和In Del分子标记进行全基因组关联分析（GWAS）,鉴定显著的油菜氮高效遗传位点及其氮高效的优异等位基因。研究结果揭示了油菜氮高效的遗传机理、挖掘高效利用氮素的生物学潜力及其候选基因。获得的主要研究结果如下:1.基因型D4-15比D2-1有更高的氮效率。利用新型甘蓝型油菜氮高效基因型（D4-15）和氮低效基因型（D2-1）开展田间和营养液培试验研究氮高效（NUE）的生理机制。结果表明,D4-15的氮吸收效率是D2-1的1.7倍,氮利用效率是D2-1的1.4倍。缺氮条件下,成熟期D4-15的籽粒产量是D2-1的2.0倍。苗期营养液培养多时间点试验表明,苗期D4-15随着氮饥饿时间的延长,地上部与根部都能维持更高的生物量以及氮含量,并拥有比D2-1更多的根尖数、更大的根表面积和根体积。而且,恢复供氮后,D4-15能比D2-1更快的增加生物量和氮含量,根系生长也更快。进一步调查发现,缺氮条件下D4-15的氮同化相关酶活及其可溶性蛋白含量、以及光合作用相关的酶活均高于D2-1。说明D4-15在缺氮胁迫下有更高的氮效率,与其有更高的氮同化和光合作用能力密切相关。2.基因型D4-15比D2-1有更丰富的遗传多样性。比较分析D4-15和D2-1的全基因组重测序结果,发现D4-15的基因组中与NUE相关的基因组多样性更大。进一步分析缺氮胁迫下两个基因型间转录组的差异表达基因及其GO和KEGG功能分析注释,发现参与光合作用和C/N代谢的基因与两基因型间的NUE差异存在显著的关联。通过基因组和转录组联合分析两基因型间有变异的基因的共表达网络,鉴定与NUE相关的基因。发现1个硝酸盐转运蛋白基因Bna A06g04560D（NRT2.1）和2个硝酸盐转运蛋白CLC基因（Bna A02g11800D和Bna A02g28670D）在基因共表达网络中的权重非常高,而且在D4-15中受氮饥饿显著上调表达,但在D2-1中没有,由此被鉴定为是影响D4-15与D2-1之间氮效率差异的关键基因。以上生物信息学分析结合氮同化和光合作用能力的生理试验结果表明,油菜基因型D4-15具有高的NUE是由于D4-15在低氮胁迫下具有高的氮吸收和利用效率,并能维持高的光合作用和协调的C/N代谢。3.鉴定了一批油菜氮效率相关性状的显著性遗传位点及其QTL。利用油菜自然群体多环境多批次水培和大田试验的氮效率相关表型鉴定,结合重测序获得的高密度SNP及In Del标记,进行全基因组关联分析（GWAS）。本研究总共进行了3批次的营养液培养试验和2年3点的大田小区试验,调查甘蓝型油菜自然群体与氮效率相关的表型,发现苗期和成熟期分别有9个、13个氮效率相关性状都具有丰富的变异范围,并且遗传力大多高于0.9。进一步利用该自然群体重测序获得的高密度SNPs和In Del标记进行GWAS分析,在苗期营养液培养试验和大田成熟期试验中共检测到3,378、2,166个与氮效率性状相关的在不同批次试验中可重复的显著位点。整合这些可重复位点,在苗期营养液培养试验中共鉴定到53个显著关联的QTL,相关QTL解释的表型变异（PVE）范围从3.16%到38.44%;在大田培养试验中共鉴定到62个显著关联的QTL,相关QTL解释的表型变异范围从0.64%到25.05%,这为后续油菜氮效率的候选基因的挖掘和基因组选择育种奠定了基础。4.确定了油菜氮效率相关性状的候选基因。本研究把上述鉴定的氮高效QTL区域内的基因与转录组分析鉴定获得的差异表达基因,结合QTL区域的基因序列的多态性影响群体表型变异的情况进行联合分析,筛选到多个氮效率相关性状的候选基因。进一步根据这些候选基因的序列变异在自然群体中进行单倍体分析,并结合拟南芥同源基因的功能注释,最终确定营养液培养中氮效率相关的候选基因为BnaC7.AMT1.4、BnaC09.UMAMIT41、BnaC1.UMAMIT4、Bna A7.NIA1等,大田环境中氮效率相关的候选基因为BnaC8.NRT2.1、BnaC8.NRT1.1、Bna A7.APP3等。同时,本研究还鉴定到WRKY家族的转录因子、以及与ROS代谢和应答逆境胁迫的激素相关的基因,还有一些其他元素如磷酸根离子的转运基因等,这些包括Bna A3.WRKY2、Bna A1.WRKY53、BnaC5.NAD1、BnaC9.PHT2.3、Bna A10.PIP2.3、BnaC7.PHO1.3、Bna A10.ABCG6 Bna A7.MYB2、Bna A10.ABI2等。他们参与了氮的吸收转运和分配利用、ROS清除、以及相关基因表达调控等功能,通过单倍型分析,初步验证了这些基因对氮效率相关性状的影响。综上所述,本研究利用甘蓝型油菜氮高效优异种质和自然群体,从表型、生理、基因和遗传层面上开展研究,揭示了油菜氮高效的生理基础,鉴定到氮高效相关的QTLs和候选基因,为深入油菜氮高效的分子机制及氮效率性状的遗传改良提供了重要基础。