玉米作为重要的粮、饲、能源兼用禾谷类作物,其产量已经成为保障国家粮食安全、维护农业经济稳定的重中之重。大量的使用氮肥是玉米产量增加的一个重要因素,但是氮素在我国的使用情况极不平衡,过量使用氮肥会造成环境污染;而氮肥使用量不足,又影响产量,因此只有培育氮高效利用的品种,提高玉米在低氮情况下的氮素利用效率,在高氮条件下仍然保持产量潜力,这样才是维持农业可持续发展的根本途径。黄淮海区是我国玉米的主要产区之一,雨热资源充沛,但是玉米生长后期过多的阴雨寡照天气往往会给玉米产量带来极大的影响,前人研究证明,玉米生长后期在这些不利环境的影响之下,早熟、灌浆持续期短的杂交种和灌浆持续期长的品种的产量是没有明显差别的。所以选育灌浆速率快的品种即可以有效的利用光热资源又能避免后期不良环境的影响,对玉米的高产稳产具有重要的现实意义。本文从这两个问题出发,首先利用氮利用效率不同的3种玉米自交系及其杂交种为材料,分析低氮胁迫下玉米生理性状和相关代谢过程的蛋白变化情况;其次选用不同灌浆速率的玉米材料,在蛋白质组学、miRNA调控水平上探讨了玉米籽粒灌浆速率的分子机制,并对miRNA159c及其靶基因通过遗传转化的方法进行了功能分析。通过两方面的分析,期望发现影响玉米氮利用效率和灌浆速率的重要调控因子,为低耗高产玉米新品种选育提供相应的理论依据。论文主要结论如下:1、通过对氮敏感材料黄C、中度敏感材料综3、轻度敏感材料许178以及杂交种许178×黄C和许178×综3在氮充足和低氮情况下的研究发现,黄C的根鲜重和叶绿素a与叶绿素b的比值在低氮胁迫下发生了极显著的变化,但是这两个性状在许178里却没有明显变化。在根系和叶片中分别发现了55和56个两种处理条件下的差异表达蛋白,对蛋白表达类型的分析显示碳水化合物代谢、核酸代谢、氨基酸代谢、耐病防御类以及光合作用等过程相关蛋白可能和低氮胁迫响应相关。低氮处理主要会导致氮高效利用基因型玉米根系中谷氨酰胺合成酶含量升高,从而提高根系的氮吸收和氮同化效率;叶片中,低氮处理主要会影响光合作用碳同化效率和淀粉代谢过程,从而影响幼苗的生长。2、通过对三个优良玉米杂交种农大108、郑单958、先玉335的灌浆速率进行分析,发现三个杂交种灌浆速率的动态变化尽管存在一定的差异,但是均在25DAP(day after pollination)达到最高值。在整个灌浆过程中,先玉335和农大108的变化趋势基本一致,只是25DAP之后下降幅度有所不同;而郑单958是25DAP之前直线快速上升,33DAP后快速下降,而后灌浆速率下降较慢,且都高于其它两个杂交种。在最终的籽粒重量上,郑单958和先玉335都高于农大108,可能是因为郑单958的灌浆速率在25DAP之前快速上升,之后下降速度慢于农大108,而先玉335在25DAP之后下降的更慢并且一直在40DAP之前都保持了较高的灌浆速率,在较长的时间里两者的籽粒灌浆速率都高于农大108。3、通过对农大108、郑单958、先玉335的4个灌浆关键时期17DAP、22DAP、25DAP、28DAP的蛋白组学分析,在胚乳和胚里分别发现39个和43个差异表达蛋白。功能分析结果显示,新陈代谢相关蛋白最多,在胚乳中有9个,胚中有12个。筛选出的差异蛋白包含一些TCA循环和糖酵解途径的关键酶,它们可能为从叶片、茎等贮藏器官的碳水化合物到籽粒的运输提供能量;另外还有一些蛋白合成相关的蛋白如翻译起始因子、翻译延伸因子,结合蛋白等,它们可能通过促进转运蛋白的合成并且参与籽粒中储藏物质的积累。这些蛋白表达量的变化趋势多数与籽粒灌浆速率的动态变化趋势类似,是籽粒灌浆速率动态变化的重要参考因素。4、利用深度测序的方法对郑单958上述4个灌浆关键时期的转录组学分析,共发现77个保守的miRNA(microRNA)和74个新miRNA,其靶基因绝对大部分都属于转录水平上的调控。对miRNA及其靶基因的表达量及功能分析后,显示miRNA156、miRNA159、miRNA393、miRNA396、miRNA397及其各自靶基因可能会在调节玉米生长发育和环境响应方面,对玉米籽粒灌浆速率变化起着关键的调控作用。5、通过结合蛋白组学和miRNA调控的研究结果,发现miRNA159及其靶基因可能与籽粒灌浆速率的调控密切相关。分别构建了miRNA159的STTM和前体过表达载体,同时构建了miRNA159靶基因MYB33的CRISPR/cas9载体,分别对水稻和拟南芥进行了遗传转化。结果显示,在水稻的遗传转化植株中,Pre159阳性植株表现出的籽粒长度、千粒重都显著高于对照日本晴,而STTM159阳性植株的籽粒长度、千粒重都显著低于对照日本晴。在拟南芥中,靶基因MYB33被突变后,和野生型相比,植株顶端优势增强,只有一个主枝;Pre159c植株的长势,单株结籽数量等方面都强于STTM159c;籽粒方面,Pre159c和CRISPR-MYB33的籽粒长度都大于对照日本晴,差异达到极显著水平;STTM159c的籽粒长度显著小于对照日本晴,差异也达到极显著水平。对拟南芥中miRNA159及其靶基因的表达量分析显示,Pre159植株里miRNA159表达量升高,MYB33表达量下降;STTM159植株里miRNA159表达量下降,MYB33的表达量上升。MYB基因会抑制贮藏蛋白的合成与积累,而本实验利用令MYB基因突变,或者高表达miRNA159来抑制MYB基因的方法,从而促进贮藏蛋白的合成,有利于籽粒的灌浆。