本论文分为两部分,所有的研究围绕两大重要经济作物完成,分别是水稻和番茄。在第一部分研究中,我们利用基于代谢物的全基因组关联分析方法,鉴定了水稻中负责类黄酮糖基化的糖基转移酶基因,并进一步研究了它们体外和体内的功能。在第二部分研究中,我们重点关注番茄中一个干旱响应的转录因子Sl Dof17。芯片分析结果表明,这个转录因子的表达明显受到干旱诱导。我们构建了Sl Dof17的超表达转基因材料,来研究这个转录因子在非生物胁迫响应中的作用。第一部分植物能够产生许多次生代谢产物,例如萜类,生物碱和苯丙烷,包括类黄酮。其中,类黄酮是一类植物适应环境所必需的一类低分子量次生代谢产物。另外,目前已知超过10,000种,广泛分布在大多数植物中。类黄酮的合成在植物中特异存在,在早期陆生植物进化过程中就产生了,参与植物保护和信号调节的过程。在植物中,类黄酮的结构多样性决定了其功能多样性,而糖基化在它们的多样性中发挥着重要作用。对水稻代谢组尤其是次生代谢物的研究对于理解植物代谢途径,提高植物对环境胁迫的响应具有重要意义。次生代谢物尤其是类黄酮的研究,对于阐明植物生长发育机理、胁迫反应和营养品质具有更为重要的价值。同时,水稻作为一种单子叶禾本科模式植物,解析其类黄酮变异机理,将大大促进其他重要作物研究进程。在本研究中,利用广泛靶向液质联用技术,结合全基因组关联分析方法,我们发现了一个与水稻中黄酮5-O-葡萄糖苷显著关联的位点。在这个位点内,基于单基因分析,我们认为4个注释为糖基转移酶的基因可能是这个位点里面的候选基因。我们对这些候选基因和结合已经报道的类黄酮糖基转移酶基因进行了进化树分析。结果发现,这些候选基因单独聚集在一起,暗示这些基因在水稻中具有某些新的功能:能够利用不同的类黄酮底物。体外生化实验表明Os UGT707A2蛋白可以同时利用黄酮醇和黄酮,但是酶动力学显示它对芹菜素(黄酮)的特异性明显高于其他类黄酮。Os UGT707A2也能催化麦黄酮产生麦黄酮5-O-葡萄糖苷。这些体外实验与定位信息是一致的,表明这个基因就是水稻中主要负责黄酮5号位羟基糖基化的糖基转移酶基因,因此命名为黄酮5-O-葡萄糖苷转移酶(F5Glc T)。为了进一步确定Os UGT707A2的体内功能,我们获得了它的超表达阳性植株。尽管体外结果显示Os UGT707A2能够同时利用黄酮和黄酮醇,但是在阳性超表达材料中,我们发现,仅仅糖基化的黄酮明显积累了。另外,我们利用Rice Var Map数据库搜索Os UGT707A2的自然变异位点。结果表明,位于Os UGT707A2上游400bp的一个SNP和该基因编码区773bp处的碱基C缺失突变是决定水稻中黄酮5-O-葡萄糖苷自然变异的关键变异。为了探究这个位点里面这些糖基转移酶的进化历程,我们利用这些基因进行了BLAST搜索。与类黄酮3-O-糖苷转移酶和类黄酮7-O-糖苷转移酶不同的是,黄酮5-O-葡萄糖苷转移酶在鸭跖草科植物中特异存在。有意思的是,我们在棕榈中发现三个连续重复的糖基转移酶,这和其他植物中基因的排布规律差别很大,表明这个位点的分化出现在棕榈科和禾本科分化之后。进一步的基因组共线性分析和蛋白酶活力实验也印证了这个结论。综上所述,整个研究不仅阐明了水稻黄酮的生化途径和遗传调控,也为利用这些优良SNP创建胁迫耐受的植物提供了可能。第二部分转录因子是一类包含特定保守结构并能够结合到其他基因启动子上从而影响其他基因转录的蛋白。Dof(指型DNA结合结构域)是一类含有Dof的蛋白家族,已被报道参与到植物生长发育的方方面面。本研究克隆了番茄中的一个Dof蛋白,命名为Sl Dof17,并构建了该基因的超表达番茄植株。进化树分析结果显示Sl Dof17和多个其他物种中的周期性Dof蛋白聚在一个分支里面,暗示Sl Dof17参与节律调控过程。另外,Sl Dof17的启动子发现多个胁迫响应元件和节律调控元件,也进一步暗示Sl Dof17的功能。基因表达量检测发现Sl Dof17的表达量在光照/黑暗交替和持续白光处理实验中都具有明显的节律,这些结果表明Sl Dof17的节律性不受光的调控。在昼夜平分条件(光照12小时,黑暗12小时)处理下,与野生型番茄相比,Sl Dof17的超表达植株还具有花期提前的表型,这可能是由于开花促进因子SFT的表达量上升和开花抑制因子SP的表达量下降造成的。除此之外,在昼夜平分条件下,超表达植株中叶绿素含量明显积累,这可能是由于该条件下大多数叶绿素合成相关的基因明显上调导致的。意外的是,长日照条件下,超表达植株中叶绿素合成相关的基因在是没有变化,这也可能解释了植株在昼夜平分交替和长日照处理下叶绿素积累有所不同的分子机制。前期的芯片数据显示Sl Dof17基因的表达受到干旱的强烈诱导,而干旱和盐胁迫是包括番茄在内的重要经济作物所面临的最主要的两种威胁,因此我们构建了Sl Dof17的超表达植株,用来进一步研究这个基因在干旱和盐胁迫响应过程中的功能。初步结果表明,Sl Dof17的表达受到一系列胁迫以及植物激素处理的响应,暗示这个基因能够广泛参与到植物响应胁迫的信号转导过程中。有意思的是,在含有甘露醇或氯化钠的MS培养基上,相比于野生型番茄,超表达植株的萌发率更高,植株幼苗的生长情况更好。另外,当把土壤生长的番茄进行干旱处理或者盐胁迫处理时,Sl Dof17超表达也比野生型植株展现出更强的抗性。干旱处理14天以后,野生型植株表现为严重缺水,而超表达植株仅仅在基部发现几片黄叶。在盐处理中也是类似的情况。在上述处理中,我们发现Sl Dof17可能通过改变ABA的合成/信号转导途径来发挥功能。在Sl Dof17超表达植株进行干旱以及胁迫处理的过程中,我们观察到了一系列生化以及生理变化。干旱或者盐胁迫处理下,6个抗旱相关的基因在超表达植株中中是上调的。与此同时,超表达植株比野生型植株中的MDA含量更低,由此说明超表达植株在。干旱或者盐胁迫处理下所细胞膜损伤更轻。干旱处理下,Sl Dof17的超表达植株的叶绿素含量,光合作用以及生物重都变化不大。我们的研究结果也表明Sl Dof17能够通过上调多胺的含量,提高抗氧化酶活力来增强自身面对氧化胁迫的能力。综上所述,上述结果证明Sl Dof17确实参与节律调控,在植物响应非生物胁迫过程中发挥重要作用。