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氮是小麦生长发育过程中不可缺少的营养元素之一,合理施肥可以提高小麦产量、改善品质,但过量施肥带来肥料利用效率下降、引起环境污染等问题,选育氮高效小麦品种成为促进农业可持续发展的主要途径之一。氮效率是一个受遗传控制的复杂数量性状,涉及众多基因的协调参与,不同基因型小麦在氮效率方面存在显著的遗传、生理等方面的差异,探明不同基因型间小麦生理生化和遗传机制的差异对选育氮高效品种具有重要意义。本研究以8对小麦近等基因系（NILs）为试验材料,分析了苗期和成熟期氮效率的差异及其与形态、生理和产量等性状的相关性,提出了筛选氮高效材料和氮低效材料的相关性状指标,评价了成对材料的氮效率特征;在此基础上,选取1对氮效率差异较大的近等基因系材料（1Y,氮高效;1W,氮低效）,采用RNA-Seq技术分析比较了两种氮水平下（N0,0g N/盆;N1,1.6g N/盆）开花期旗叶的转录组差异,同时利用代谢组学研究了代谢物的变化差异,以期阐明相关遗传生理机制。论文主要研究结果如下:1、8对小麦近等基因系材料10个性状指标受氮的影响程度有较大差异,相对茎叶干重、相对根冠比、相对茎叶氮积累量、相对植株氮积累量可作为苗期小麦氮效率的筛选指标。根据氮效率综合评价值,将每对近等基因系的基因型划分为氮高效（Y）及氮低效基因型（W）。成熟期的籽粒产量及氮肥表观利用率比较分析表明,每对小麦近等基因系中氮高效材料（Y）较氮低效材料（W）具有较高的籽粒产量及氮肥表观利用率,两时期分类结果一致。2、两种氮水平下,每对小麦近等基因系中氮高效材料和氮低效材料之间氮代谢关键酶活性存在差异,氮高效材料小麦灌浆期旗叶的硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）活性均高于氮低效材料。在基因表达方面,花后各时期氮高效材料小麦旗叶的氮代谢关键基因TaNR、TaGS、TaGOGAT的表达水平总体上高于氮低效材料,说明氮代谢基因表达水平的提高有利于氮代谢酶活性增加,促进了叶片中氮素的代谢。3、基于转录组学数据分析,施氮条件下,在N1 1Y vs.N1 1W比较组中鉴定出7023个差异表达基因,包括4738个基因上调表达和2285个基因下调表达。GO分析显示,这些差异基因显著富集于DNA结合转录因子活性、催化活性和蛋白激酶活性等过程,说明N11Y具有较强的细胞催化活性及酶活性。KEGG富集分析显示,这些差异基因参与淀粉蔗糖代谢途径,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成途径等代谢过程,即通过协同调控C、N代谢过程来调节氮效率。在N11Yvs.N11W 比较组中有20个差异表达基因富集到氮代谢通路,其中13个氮代谢基因在N11Y叶片中上调表达,包括6个编码硝酸盐转运体（NRT）基因、4个编码铵盐转运体（AMT）基因、2个编码谷氨酰胺合成酶（GS）基因、1个编码谷氨酸合酶（GOGAT）基因,表明其具有较高的氮素同化能力,在一定程度上促进了氮代谢酶活性的增强。大多数参与光合作用（光系统Ⅰ、光系统Ⅱ、光合天线蛋白）及呼吸作用（糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径）相关基因也在N11Y中上调表达,可以为氮代谢提供更多的能量、碳骨架和NADPH。N11Y叶片中编码转录因子的上调差异基因数目是下调基因的2倍左右,即氮高效材料1Y可通过提高转录因子的表达水平调控植物氮代谢过程。4、根据转录谱分析结果,不施氮条件下,在N01Y vs.N01W比较组中鉴定到3290个差异表达基因,其中包括2123个基因上调表达和1167个基因下调表达。这些差异基因显著富集的GO term有379条,主要有氨基酸代谢过程、对有机氮化合物反应、催化活性等;差异基因显著富集的代谢途径有6条,主要有谷胱甘肽代谢、淀粉和蔗糖代谢等。在N01Yvs.N01W比较组中,有21个差异表达基因富集到碳氮代谢通路中。其中N01Y叶片有4个编码氮代谢相关基因和10个编码碳代谢相关基因上调表达,保证了其在低氮条件下更高的氮利用效率。5、与不施氮处理相比,施氮处理后,氮高效材料1Y叶片（N11Yvs.N01Y）和氮低效材料1W叶片（N11Wvs.N01W）中分别得到7669和7800个差异表达基因。对1Y和1W叶片中差异表达基因进行分析,结果表明1Y叶片中编码GS、GOGAT的基因上调数目及上调幅度（5个,1.12～2.07倍）均高于1W（3个,1.09～1.42倍）,这说明1Y 比 1W具有更高的氮素同化能力,1Y叶片中氮同化基因的高表达带动了氮代谢途径的增强;1Y叶片中编码光系统Ⅰ、光系统Ⅱ和光合天线蛋白的基因上调数量（36个）高于1W（13个）,说明1Y具有较高的光合速率;1Y叶片中参与糖酵解途径和TCA循环的关键酶编码基因的上调表达（1.06～4.47倍）可为氮代谢提供更多的能量,编码6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6PGD）的基因TraesCS1D02G361400仅在1Y叶片中上调表达而在1W中没有变化,表明氮高效材料1Y叶片中磷酸戊糖途径（PPP）增强可为氮代谢提供更多的NADPH。6、分析了氮高效材料1Y和氮低效材料1W对低氮胁迫响应的转录水平差异,将这些氮响应基因划分为两大类:提前装载基因（差异表达基因在氮胁迫前就具有较高的表达水平）和相对上调基因（差异表达基因在氮胁迫后具有较高的表达水平）。在氮高效材料1Y中鉴定出146个氮响应基因,包括103个提前装载基因（氨基酸转运蛋白基因、过氧化物酶基因、细胞色素P450基因、丝裂原活化蛋白激酶基因、转录因子等）和43个相对上调基因（谷氨酸脱氢酶基因、谷氨酸受体基因、苹果酸合成酶基因等）。在氮低效材料1W中鉴定出95个氮响应基因,包括45个提前装载基因（硝态氮转运蛋白基因、蛋白磷酸酶2C基因、细胞色素P450基因和过氧化物酶基因等）和50个相对上调基因（苯丙氨酸解氨酶基因、UDP-糖基转移酶基因、1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶基因和ERF转录因子等）。与氮低效材料1W相比,氮高效材料1Y具有较多的提前装载基因。基于提前装载基因和相对上调基因的划分结果,推测认为1Y和1W在应对低氮胁迫时表现出不同的基因表达模式与生理特征,存在两种可能的反应机制。7、基于代谢组学数据分析,在N11Y vs.N01Y比较组中共检测到26种碳氮代谢相关产物,包括15种上调代谢产物,11种下调代谢产物;在N11W vs.N01W比较组中共检测到15种碳氮代谢相关产物,包括6种上调代谢产物,9种下调代谢产物。其中,大部分氨基酸类代谢物含量在1Y和1W叶片中均显著增加,但在1Y中的增加幅度明显高于1W,这些代谢物包括苯丙氨酸、酪氨酸、γ-氨基丁酸（GABA）、脯氨酸、天冬氨酸等,说明1Y叶片中氨基酸类代谢的增强,有助于提高小麦氮高效吸收、利用能力。1Y叶片中与碳代谢相关的蔗糖、乳糖、果糖相对含量高于1W,可以提高细胞膜的稳定性。此外,1Y叶片中三羧酸循环的增强可以为其它代谢提供足够的能量以及代谢中间产物。