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植物源食物为人类和动物提供了广泛的营养物质,而矿质营养是其中极为重要的组成部分。马铃薯作为世界上种植最广泛的粮食作物之一,块茎富含多种矿质元素,而提高和改善马铃薯块茎矿质元素含量与组成具有重要的经济价值和社会效应。中国作为马铃薯消费和种植大国,近些年在逐步推动马铃薯主粮化和主食化战略。栽培种马铃薯多为同源四倍体,基因组高度杂合,遗传复杂且研究难度大,同时也限制了矿质元素在遗传和分子生物学上的广泛研究。所以本课题选取了二倍体马铃薯自然变异群体作为材料,对马铃薯块茎中的矿质元素进行了分析和探索,并利用全基因组关联分析对影响各类矿质元素含量的染色体位点进行了初步分析。另外,本文以马铃薯HAK/KUP/KT基因家族为例,初步解析了HAK/KUP/KT基因家族在影响块茎中钾离子含量中的功能。本文的结果将为提高马铃薯块茎中的矿质元素含量和研究马铃薯HAK/KUP/KT基因家族的功能提供理论基础和技术指导。本文的主要研究结果如下:1)2018年,自然分离群体的马铃薯薯肉中铁离子含量在窄刀薯、角萼薯和富利亚薯这3种类群中呈连续分布,2019年在这3种类群中均具有分离,大体可分为高铁和低铁两种模式。2018年和2019年薯肉中的锌、锰和镉离子含量在这3种类群中均没有明显差异。对薯肉中锌、铁、锰和镉等离子的含量性状进行相关性分析,发现马铃薯薯肉中的锌离子含量分别与铁离子含量和锰离子含量呈现负相关,而铁离子含量和锰离子含量之间呈正相关,据此我们推测马铃薯薯肉中铁和锰离子在吸收和转运上可能存在协同关系而与锌离子的吸收和转运存在一定的拮抗作用。此外,我们发现马铃薯三个亚种的钾离子含量无明显差异,对钾离子含量进行GWAS关联分析发现11号染色体上存在一个调控钾离子含量的位点。2)为明确马铃薯HAK/KUP/KT基因家族在调控薯肉中钾离子含量中的作用,本研究利用隐马尔可夫模型在马铃薯的数据库Spud DB Potato Genomics Resources中共搜索到16个HAK/KUP/KT基因家族成员,利用拟南芥、水稻、玉米、番茄HAK/KUP/KT基因家族序列构建系统发育树,分析结果表明马铃薯HAK/KUP/KT基因家族可分成3簇。基因家族成员氨基酸长度在422~849aa不等,氨基酸分子量在45.87~94.55k D之间,预测其亚细胞定位于细胞质膜上,除7、10和11号染色体外其余染色体均有分布。此外,本研究通过分析不同组织间的表达谱数据及在低钾和高盐胁迫下的表达量的响应模式,发现第一簇聚类基因在根中原始表达量极低,但在钾胁迫处理之后St HAK11和St HAK13发生显著上调;大部分St HAKs基因快速响应盐胁迫处理,表达量呈持续升高趋势。以上HAK/KUP/KT基因家族的的系统分析为马铃薯进一步发掘优异钾离子转运基因提供了重要理论依据。3)通过构建pYES2-StHAK13/15的酵母表达载体,p YES2空载体作为负对照,将其分别转入钾离子缺陷型酵母突变体菌株R5421中,从而验证St HAK13/15在酵母异源体系中执行的功能,通过酵母打点试验结果表明,在高K+浓度(50m M、100 m M)的固体培养基上,St HAK13/15转化子和空载体生长无明显差异,而在低钾(5 m M到0.05 m M)培养基上,转化子酵母的生长能力显著优于空载体酵母。因此,St HAK13/15基因在钾离子缺陷型酵母中表现为高亲和性钾离子转运体。4)本研究利用马铃薯毛状根遗传转化系统,通过q PCR分析,成功获得了St HAK2/13/15过表达马铃薯的毛状根克隆。通过测量St HAK2/13/15过表达马铃薯毛状根根长和测定St HAK2/13/15过表达马铃薯毛状根中的钾离子含量,推测相对于KUP/HAK/KT转运蛋白家族中的其它转运蛋白而言,St HAK2/13/15可能不是最主效的高亲和性钾离子转运蛋白,在马铃薯中也可能存在其它功能性冗余钾离子转运基因。