玉米作为全球三大作物之一,不仅是人们的主粮和动物的重要饲料来源,而且也是重要的工业原料来源。但是作为粮食和饲料时,因为蛋白质、必需氨基酸含量低,其应用价值和应用范围都受到影响,所以研究玉米籽粒的蛋白品质就变得尤其重要。本研究利用包含513份玉米自交系的关联群体和3个重组自交系群体,结合覆盖全基因组的高密度SNP标记对玉米籽粒氨基酸含量及其组分相关性状进行全基因组关联分析和连锁分析,鉴定控制玉米籽粒氨基酸代谢的遗传位点,解析玉米成熟籽粒氨基酸含量的遗传结构,同时利用遗传和分子生物学等手段对其中3个位点进行了验证。主要结果如下:1.玉米籽粒氨基酸含量自然变异丰富:通过测定玉米关联群体和连锁群体成熟籽粒氨基酸含量,发现其存在广泛的变异,在关联群体的两个环境(AM1和AM2)中分别有2.04-11.49倍和2.61-13.60倍的差异,而在三个RIL群体(B73/By804:BB、Kui3/B77:KB和Zong3/Yu87-1:ZY)中也分别有1.51-3.86倍、1.79-4.81倍和1.98-5.50倍的差异。2.全基因组关联分析鉴定到大量候选位点:结合1.25M高质量的SNP基因型,分别对两个环境下(AM1和AM2)获得的65种氨基酸及其组分性状进行全基因组关联分析,在p≤2.04×10-6的条件下,分别检测到247和281个显著的性状-标记关联位点,平均每个性状检测到5.1和4.4个显著位点,平均解释的表型变异分别为7.44%和7.90%。3.连锁分析定位到404个QTLs:结合高密度的分子标记遗传连锁图,分别对BB、KB和ZY RIL群体的65个氨基酸性状进行QTL定位分析。总共鉴定了404个QTL,在3个RIL群体中分别为89、150和165个QTL,平均每个性状检测到2.0、2.7和2.8个QTL,解释的表型变异平均为9.03%、9.39%和10.15%。BB、KB和ZY群体的定位精度分别平均为8.6、11.3和7.2Mb,而小于5Mb的QTLs分别有57、95和99个。4.建立了候选基因的共表达网络:GWAS总共鉴定到528个显著位点涉及308个候选基因,其中27%为直接或间接影响氨基酸代谢的基因,29%为影响其他代谢过程的基因,7%为转录因子,2%编码种子储存蛋白,这些基因在氮代谢、胺代谢、氨基酸及其衍生物代谢和羧酸等代谢过程富集。对308个候选基因进行e QTL分析发现,其中有43.2%的候选基因具有e QTL。在这308个候选基因中,有23个基因编码的蛋白参与氨基酸合成或分解代谢途径,对这23基因和RNA-seq获得的其他基因进行共表达分析显示,在4,670个共表达基因中有49个同时也被GWAS定位到的,140个基因直接或间接与氨基酸代谢相关;GO富集分析发现这些共表达基因在胺代谢、发育过程和生物调节等富集。5.多种手段验证了3个候选基因:借助遗传学、e QTL分析,生物信息学和转基因手段对其中3个候选基因(O2,GRMZM2G138727,GRMZM2G143008)进行了深入分析和验证。上述结果不仅为我们理解玉米成熟籽粒氨基酸的代谢及遗传变异与基础提供了线索,为玉米氨基酸代谢的研究提供了相关的候选基因等,同时还为高赖氨酸玉米的育种提供了可能的育种材料。本论文的另一部分研究内容为玉米和水稻代谢组比较分析。本研究利用已发表的玉米籽粒、水稻叶片和籽粒的代谢组数据,对其代谢物的分布特点、变异系数、变异倍数等在玉米亚群和水稻亚种间的变异特点进行了比较分析,发现玉米和水稻代谢组之间存在非常显著的差异,其中差异最大的是类黄酮;在不同亚群、亚种或者种间,不同类代谢物差异巨大,次级代谢物的变异比初级代谢物的变异更大,热带玉米中代谢物的变异比温带玉米大,籼稻代谢物的变异比粳稻大,并且水稻不同组织间代谢物也存在很大的差异;差异代谢物的分析表明:水稻中差异代谢物数目和倍数均大于玉米亚群之间的,在玉米和水稻的差异代谢物中类黄酮显著富集,同时,在温带玉米材料中积累的代谢物主要为类黄酮,而在热带玉米中显著积累酚胺类物质;籼稻中类黄酮含量更高,而粳稻中酚胺类物质含量更高;对玉米和水稻代谢组数据进行相关性分析,发现相同类代谢物间的相关系数比不同类代谢物间的更高,而玉米两个亚群之间,代谢物相关性差异不如水稻亚种间显著。玉米和水稻代谢组之间,相关性差异非常大,与温带玉米和籼稻相比,在热带玉米以及粳稻中有更少的正相关,而有更多的负相关。主成分分析和聚类分析显示,用所有代谢物或者其中部分代谢物即可将热带玉米和温带玉米以及籼稻和粳稻很好的分开。