土壤盐渍化是一个由人类活动导致的并严重限制了农业生产的全球性环境问题。在我国,盐碱荒地资源开发利用较少。随着耕地面积减少,棉花种植逐渐向盐碱地集中,因此这些盐碱地蕴藏着巨大的开发潜力。棉花是比较耐盐碱的作物之一,但是目前盐碱地高浓度的盐分仍然是制约棉花产量的主要因子。如何进一步提高棉花耐盐碱能力是目前棉花育种的重要目标。另一方面,随着全球温室效应加剧,极端气候经常出现,极端高温天气已经给很多国家和地区的农业造成了实质性的影响,无论是短暂的还是持续的高温都会对棉花造成形态、生理和生化上的负面影响,从而导致营养生长和生殖生长的异常甚至不育。因此,针对土壤盐渍化和高温等非生物胁迫的形势不断加剧,筛选具有优异抗逆性棉花种质,加强对棉花抗逆境胁迫下生理响应机制的认识,鉴定抗逆境相关基因是目前亟待解决的农业科学问题。本研究就是基于以上三个方面来进行设计探讨的:一、陆地棉种质苗期耐盐性的高效鉴定方法为摸索一套陆地棉苗期耐盐性的高效鉴定方法,利用2个极端耐盐和2个极端盐敏感的陆地棉品种,分别设置对照和4%(40 g/L)浓度NaCl溶液处理三叶期幼苗,处理72 h后调查盐害指数,测定地上部分鲜重、根鲜重、叶片相对含水量、叶绿素荧光参数、相对电导率、丙二醛含量、抗氧化酶类活性等13个与耐盐性相关的重要指标。先后利用灰色关联聚类、主成分分析和逐步回归的方法综合评价了陆地棉苗期耐盐性,发现最大光化学效率(Fv/Fm)可以作为鉴定陆地棉苗期耐盐性的关键指标,构建耐盐指数(y)方程y=1.943x-0.882,(x=最大光化学效率),同时结合其他2个耐盐和2个盐敏感品种的y值对耐盐等级进行划分,建立了陆地棉苗期耐盐性高效鉴定方法。进一步利用23个已知田间耐盐性的品种对该方法进行验证,发现该方法与田间鉴定结果完全一致。因此选用最大光化学效率(Fv/Fm)作为指标,并通过构建方程和划分耐盐等级鉴定陆地棉苗期耐盐性的方法高效准确,为未来大规模陆地棉品种资源耐盐性鉴定提供技术标准和研究基础。二、盐胁迫下陆地棉苗期体内离子区隔化分布研究盐胁迫下植物体内不同组织和细胞的离子区隔化能力是调控植物耐盐性的一个关键机制。本研究从不同组织,细胞和分子水平上研究了两种耐盐性差异明显的陆地棉品种(早熟长绒7号和南丹巴地大花)在盐胁迫后的离子区隔化特征。我们首先发现了陆地棉腺毛具有分泌盐离子的功能,另外,相比盐敏感品种,耐盐品种叶片上的腺毛能够分泌更多盐离子(Na+、K+),这表明可能从体内排出多余的盐离子可能是陆地棉短期盐冲击响应的一个新的机制。此外,离子区隔化分布结果表明,耐盐品种的重要的组织和细胞中的离子含量显著低于盐敏感品种,暗示耐盐品种具有更强的离子区隔化能力。通过比较质膜H+-ATP酶活性和离子运输相关的基因的表达模式发现,在H+-ATP酶活性和Na+/H+逆向转运蛋白在叶片内离子的区隔化过程起重要作用,这可能会进一步确定棉花耐盐性强弱的关键指标。本研究首次发现叶片腺毛的泌盐功能和耐感盐陆地棉种质中Na+区域化特征为棉花耐盐机制提供了新认识。三、不同陆地棉品种苗期叶片盐胁迫诱导的差异基因表达与转录调控分析为进一步明确陆地棉耐盐相关基因,本文选用耐盐性不同的两个陆地棉品种于苗期200 mmol/L NaCl处理,以不加NaCl处理为对照。依据盐胁迫下两个品种表型变化和生理指标结果选取了两个不同阶段即渗透胁迫(4 h)和离子胁迫(24 h)作为最佳时间点的样品及对照用于后续测序。通过RNA-seq和small RNA-seq方法来筛选两品种苗期叶片在盐胁迫4 h和24 h后诱导的差异表达的基因与miRNAs。结果表明:6个文库转录组测序获得143,080个Unigene。其中鉴定到3,172个编码转录因子的 Unigenes。使用 STEM(Short time-servies expression miner)软件分析所有差异共表达Unigenes,获得6组显著差异的表达模式。其中在两品种共鉴定到819个差异表达的转录因子Unigenes,129个仅在耐盐品种中特异表达的转录因子Unigenes。本研究重点分析了编码膜受体,转运蛋白,钙依赖性蛋白激酶,丝裂原活化蛋白激酶的生物合成和激素(脱落酸和乙烯)信号通路相关差异表达基因。6个小RNA文库测序共鉴定到108个在不同时间点差异表达的已知miRNAs。同时利用转录组拼接数据库为参考分别对每个时间点差异表达的miRNAs进行靶基因预测,重点分析盐胁迫响应的一些关键的miRNA调控靶基因功能。另外分别用茎环RT-PCR和qRT-PCR验证9个miRNAs及其靶基因,发现有5个miRNAs与它们对应的靶基因的表达呈显著负相关。基于以上实验结果,我们构建的盐胁迫耐盐基因响应的途径,并获得了盐胁迫应答的潜在miRNA调控网络。本研究首次综合分析陆地棉短期盐胁迫后差异基因表达与转录调控响应,揭示了棉花幼苗盐处理前后转录和转录后水平的复杂调控网络。这些结果将有助于利用转基因手段提高棉花的耐盐性。四、比较转录组学鉴定和筛选陆地棉苗期耐热相关基因本研究中,我们对四个已知的耐热性陆地棉品种在幼苗阶段进行常温和高温胁迫后11项生理生化指标和表型分析,综合评价四个品种苗期耐热性,结果与以前的田间耐热性结果相一致。由此证明了棉花品种耐热性筛选可以通过室内苗期耐热性鉴定来实现。利用转录组测序手段对两个耐热性差异的棉花品种高温处理4h和8h幼苗进行表达谱分析。通过比较鉴定出4,698个耐热相关的差异表达基因。这些基因的筛选主要基于两个条件:耐热性强的品种差异表达倍数高于热敏感品种或者只在耐热性强的品种中高调差异表达。通过基因本体论(GO)富集和BLAST注释结果分析发现,这些基因主要编码蛋白激酶,转录因子和热休克蛋白;被认为在耐热陆地棉中发挥关键作用。其中4个AP2/EREBP转录因子家族基因(与AtERF20、AtERF026、AtERF053、AtERF113同源)和2个热激转录因子基因(与AtHHsfA3、AtHsfC1同源)被认为对棉花耐热性起关键调节作用。本研究所筛选的基因可为改善棉花品种耐热性提供有用的候选基因参考。