重离子束辐射诱变育种具有其他育种方法无法比拟的诱变率高、诱变谱宽、突变体易稳定、易产生全新变异、以及利于拓展遗传多样性等优势,在微生物育种中具有广阔的应用前景。然而,诱变育种技术普遍存在的盲目性同样也是重离子束辐射诱变育种的短板。集成优化辐射参数、预测诱变群体、高通量筛选突变体、有效识别并验证阳性突变位点、定向改造整合阳性突变位点等模块的重离子束辐射诱变育种工作站将实现扬长补短,推动重离子束辐射诱变育种实践的高效、高质运行。这其中涉及一系列的基础研究需求。本研究主要以模式微生物酿酒酵母为细胞模型,聚焦对实现高效诱变意义重大的三个递进主题:存活效应、分子突变谱、表型基因型关联,开展了以下研究:剂量-存活效应的测定是重离子束辐射诱变育种研究的前置步骤。我们选取X射线为电离辐射源、酿酒酵母为单细胞微生物模型,改进了OD₆₀₀法并建立了96孔微孔板法以测定电离辐射诱导的单细胞微生物存活分数。对于OD₆₀₀法,将不同剂量X射线辐射的酿酒酵母细胞接种到新鲜YEPD液体培养基中,经历相同的培养时间至对数期时,较低的生物量积累对应于较少的存活细胞。对于96孔微孔板法,将含0–100个细胞的稀释液等分为96个微滴,分别接种到含200μL YEPD液体培养基的96个微孔中,培养48 h后,未形成菌落克隆的微孔数量越少,表明存活的细胞越多。基于指数函数和泊松分布概率密度函数分别为两种方法构建了定量体系,结果表明两种方法灵敏可靠,且OD₆₀₀法简便,快速,而96孔微孔板法简化了计数过程。不同方法之间的综合比较表明,液体培养基相比固体培养基更有利于酿酒酵母的修复。此外,不同批次实验表明,重离子束辐射处理后,平板计数试验的及时与否将对存活分数的测定值产生较大影响。尝试应用文献计量学手段验证重离子束辐射诱导微生物马鞍形剂量-存活效应的客观性,并进一步确定影响马鞍形曲线形成的辐射参数、以及马鞍形曲线各区段与正突变率的潜在对应关系。结果表明:报道马鞍形存活曲线的研究文章、作者和机构在报道重离子束辐射诱导微生物剂量-存活效应的文章、作者和机构中都具有主导性地位。通常马鞍形剂量-存活效应对应于低能重离子束辐射,但少量中能重离子束辐射诱导微生物马鞍形剂量-存活效应的报道提示,马鞍形剂量-存活效应的形成可能涉及更复杂因素的综合作用。马鞍形剂量-存活效应至少在30个属的微生物中被观测到。大多数马鞍形曲线的峰区包含10%～30%之间的存活分数,同时,87%的最大正突变率位于马鞍形曲线的峰区,而58%位于峰区的峰值点附近,即:马鞍形曲线峰区通常对应较高的正突变率。为揭示重离子束辐射微生物诱导的分子突变谱,我们以重离子束辐射诱导的酿酒酵母线粒体呼吸缺陷作为细胞受照的标志。在碳离子束辐射后,筛选线粒体呼吸缺陷型突变体（mitochondrial respiration-deficient mutant,MRDM）。在确认自发突变可忽略的前提下,对八株遗传稳定的突变菌株和一株对照菌株进行了测序深度>200×的重测序。然后,基于相应的策略鉴定和验证碳离子束辐射诱导的特定突变。结果表明,在核基因组中,碳离子束辐射主要引起单碱基替换和一些小的（<100 bp）插入缺失（Insertion and deletion,InDel）,这些变异广泛分布于整套染色体。尽管选择了线粒体呼吸缺陷作为筛选标记,但相对于自发突变(10^-9),核基因组变异仍以较高的频率(10^-7)被检测到。此外,单碱基替换的转换和颠换比为0.746,单碱基替换和小InDel的相对数量比约为15:1,小InDel以<4 bp为主。在整个突变体小群体的线粒体基因组中,都存在多处超大片段的缺失（Deletion,Del）,对应于极低的read覆盖率,且这些片段涉及大量的线粒体DNA编码基因。同时,对于核基因组和线粒体基因组,每株突变体都呈现独特的变异模式。重离子束辐射诱导的损伤修复特征将在一定程度上反映其诱变特征的生物学基础。据此,我们在转录水平上比较了碳离子束和X射线辐射诱导的酿酒酵母损伤修复响应。半致死剂量的碳离子束和X射线辐射酿酒酵母后,利用免疫荧光实验定性呈现了两种射线诱导的DNA双链断裂（Double strand break,DSB）。然后,基于辐射后连续时间点的转录组分析,发现上调基因显著富集于损伤修复相关的GO条目和KEGG途径。根据差异表达基因（Differentially expressed genes,DEG）的GO和KEGG富集模式以及损伤修复相关DEG数量和相对表达量随修复时间的变化,在转录水平上确定了辐射后75min是损伤修复响应的关键时间点。因此,对碳离子束和X射线辐射后75min诱导的损伤修复响应进行了比较转录组学分析。对应于两种辐射的DNA修复途径相关DEG有着明显的重叠（>50%）,并且在两种情形下,同源重组修复（Homologous recombination repair,HRR）都被揭示为主导的的DNA修复途径。但在75 min,碳离子束辐射对应的HRR的相对富集程度比X射线辐射高。此外,进一步将比较拓展至整个修复进程时,发现碳离子束辐射后HRR的峰值阶段要比在X射线辐射后超前。HRR是酿酒酵母DSB修复的主要途径,我们考虑碳离子束辐射对应于更及时的HRR途径响应是细胞对其诱导更多DSB的代偿性反应。群体水平的多组学研究基于信息获取的立体性而备受青睐,但在突变体研究中鲜有报道。因此,我们以获取的MRDM小群体为研究对象,联合基因组,转录组和代谢组学进行表型和基因型关联。每株突变体在核基因组上呈现出独特的突变模式。核基因组突变以及因此可能受影响的基因和代谢途径在8株突变体间共现频率都≤3。例如,仅有一条脂质代谢相关的途径在其中一株突变体（RD-1）中可能受到核基因组突变的影响。然而,线粒体基因组中的大片段Del是八株突变体间的共性特征,且由于仅有极少量可能受核基因组突变影响的线粒体呼吸相关基因,所以线粒体基因组变异是线粒体呼吸缺陷的主导性诱因。在转录组水平上,对于在≥4和≥5株突变体中共现的DEG,脂质代谢都是最显著富集的KEGG途径。任一富集于脂质代谢的DEG在几乎所有八株突变体中都显示出相同的上/下调模式。此外,脂质组分析鉴定到的126种差异表达的脂质种属在几乎所有考察的突变体中也显示出相同的上/下调模式。因此,可以保守地推断,在整个突变群体中脂质代谢相似的变化模式归因于线粒体呼吸缺陷（线粒体DNA超大片段Del）这一群体共性。我们进一步呈现了响应于线粒体呼吸缺陷（线粒体DNA超大片段Del）的脂质种属变化谱,表明上调脂质种属在数量和变化程度上都高于下调脂质种属。另外,主要储能脂质的含量增加,重要的质膜磷脂含量在相对比例上发生变化。整体上基因组,转录组和脂质组的结果相互印证,从细胞全局水平定量度量了线粒体相关生物学功能。综上,我们首先对重离子束辐射诱导的微生物剂量-存活效应进行了方法学和计量学研究;而后基于酿酒酵母突变体群体水平绘制了特定辐射参数下重离子束辐射诱导的基因组突变谱,直观呈现其诱变特征;并从损伤修复视角揭示了相应诱变特征的生物学基础;最后,对突变体群体进行了多组学联合分析,实现了群体表型共性到基因型以及群体基因型共性到表型的关联。我们期望这些工作进一步揭示重离子束辐射诱变机理的内涵,为高效的诱变育种实践提供指导。