西瓜是一种深受广大消费者喜爱的夏季水果。西瓜果实产生并积累大量具有不同理化性质的代谢物来维持自身生长,响应外界环境,并满足人类的食用需求。但是不同类型西瓜的自然群体中其果实的代谢组学研究却未见报道,对西瓜代谢通路调控机制的分析也很少。本研究通过对西瓜种质资源的重测序和广泛靶向代谢组学检测,得到了目前为止最全面的西瓜属作物果实代谢谱数据库。通过对代谢物的积累模式分析鉴定了西瓜驯化过程中代谢物的分步选择过程;通过基于代谢组的全基因组关联分析（m GWAS）定位到了苦味、糖、颜色、有机酸和黄酮等代谢物的重要信号位点;通过分析驯化改良区间和区间内的SNPs多样性阐明了西瓜属不同种之间的演化关系;通过分子生物学实验对苦味相关的候选基因进行验证,阐明了葫芦素合成的调控机制。本研究为驯化改良对西瓜果实代谢组的影响提供了新的见解,对西瓜种质资源的充分利用和改良育种有重大意义。该研究结果还为解析代谢通路的调控机制和利用代谢组学揭示作物驯化过程提供了有效的研究基础。具体研究内容如下:1.大规模西瓜群体重测序分析揭示西瓜种质资源的基因组变异。对全世界范围的代表不同栽培类型和不同驯化程度的336份西瓜种质资源（包含野生种及栽培种）材料进行重测序,平均测序深度为9.44 X,平均基因组覆盖率86.9%,鉴定了4,591,014个SNPs,获得了西瓜属作物全面的基因组变异图谱。群体结构和系统发育树分析可将供试材料分为不同的类群。遗传多样性分析显示野生西瓜核苷酸多态性较高,栽培种西瓜遗传背景狭窄。2.广泛靶向代谢组学阐明了不同栽培类群西瓜的代谢组学差异和驯化过程中代谢物的分步选择。对204份西瓜成熟期果实的广泛靶向代谢组学分析,得到了3730个代谢物特征峰,其中87.1%的代谢物CV值大于50%。广义遗传力大于0.5的代谢物占总代谢物数量的50.3%。基于代谢物的PCA分析和系统发育树分析,可以将204份西瓜品种分成6个类群,籽用西瓜作为一种特殊的栽培类型被单独聚为一类。代谢组学整体分析发现葫芦素和黄酮类代谢物的含量在西瓜分化阶段和驯化的前期阶段降低甚至消失,糖和类胡萝卜素含量在西瓜驯化过程中逐渐积累,在西瓜改良的后期阶段柠檬酸含量升高,苹果酸含量降低。各类代谢物分步受到选择,最终形成了美味可口的现代鲜食甜西瓜。3.基于代谢物的全基因组关联分析揭示了大量代谢物相关的遗传位点。mGWAS对3730个代谢物特征峰进行分析,共检测到2931个显著的lead SNPs,23.8%的代谢物关联到至少一个信号位点。葫芦素定位到8个主要信号位点,糖类物质定位到11个主要信号位点,柠檬酸定位到5个主要信号位点。糖和柠檬酸相关的信号位点在驯化和改良过程中有共选择现象。果肉颜色与番茄红素、β-类胡萝卜素和β-阿朴胡萝卜素醛含量存在共定位现象。番茄红素β-环化酶基因内部的两个非同义突变位点SNP1和SNP2（SNP1:4:8886348 and SNP2:4:8886977）的组合类型可以区分红色系,黄色系和白色系的西瓜品种。4.葫芦素代谢途径的级联调控网络和结构基因功能验证。与葫芦素含量相关的选择区间cuc1-3中,基因簇内的转录因子和结构基因存在着级联调控的现象,ERFs可以调控bHLHs基因的转录表达,bHLHs可以调控Cla011514,Cla011515,Cla011464和Cla019330基因的表达量,进而共同调控葫芦素的积累。通过瞬时过表达,病毒诱导的基因沉默和酵母异源表达实验验证了2,3-氧化角鲨烯环化酶基因（Cla019330）的功能,该基因可以催化2,3-氧化角鲨烯转化为葫芦素二烯醇。原核蛋白表达和体外酶活等实验验证了糖基转移酶基因（Cla011464）的功能,该基因可以催化葫芦素I和葫芦素D的糖基化反应。瞬时过表达和病毒诱导的基因沉默实验验证了P450基因（Cla011514和Cla011515）的功能,这两个P450基因的表达量会影响葫芦素I,葫芦素E和葫芦素B的积累量。5.中国籽用西瓜的特殊性驯化地位。籽用西瓜是一种独特的种质类型,籽用西瓜的代谢组轮廓介于黏籽西瓜和地方品种之间。籽用西瓜的果肉颜色、糖度以及与此相关的基因型频率也处于黏籽西瓜和地方品种的中间过渡状态。与果实品质相关的驯化区间内的SNPs多样性分析证明籽瓜可能是从黏籽西瓜到现代鲜食甜西瓜驯化改良过程中的过渡类型。籽用西瓜代表了现代鲜食甜西瓜的原始祖先类型。