植物小孢子（Microspores）是由花粉母细胞经减数分裂形成的四分体释放出的单倍体细胞,研究表明将小孢子离体培养的单倍体育种技术能够大大提高作物育种效率。目前,在重要禾谷类作物如水稻、小麦中,通过小孢子离体胚胎发生（Embryogenesis）获得再生植株的频率普遍偏低,研究小孢子胚胎发育及其再生植株多倍化对发展作物小孢子单倍体育种技术具有重要意义。植物小孢子离体胚胎发生受到多种基因协同表达调控,其中SERK（Somatic Embryogenesis Receptor-like Kinase）基因在早期胚性细胞中表达,是胚胎发育的Marker基因。本实验室前期对大麦SERKs基因家族进行系统研究,其中Hv SERK1在小孢子胚胎发育7d时显著上调表达,在小孢子胚胎发生发挥重要作用。为进一步研究Hv SERK1作用机理,通过已知基因组序列对Hv SERK1基因启动子进行了预测分析,确定该段序列含有启动子特有的CAAT-box与TATA-box具备启动转录能力。利用PCR技术进行扩增、测序,获得启动子片段命名为p Hv SERK1,通过使用Plant CARE对启动子序列在线分析发现,p Hv SERK1除了含有启动子典型顺式作用元件外还包含多种诱导型作用元件,包括光响应元件G-box、ATCT-motif、Box II、LAMP-element、MRE、Sp1,脱落酸应答元件ABRE,生长素应答元件Aux RRcore、TGA-element,茉莉酸应答原件CGTCA-motif、TGACG-motif,表达分生组织相关元件CTA-box,胚乳特异性表达元件AACA-motif,低温应答元件LTR,厌氧诱导顺式调节元件ARE、GC-motif。为了进一步探究p Hv SERK1活性,用p Hv SERK1替换Ca MV 35S启动构建了p AN580:Hv SERK1P:GFP质粒,用基因枪轰击法将重组基因转入大麦叶片,转基因大麦叶片进行激素和胁迫处理,观察瞬时表达结果发现p Hv SERK1响应脱落酸激素信号,推测SERK1参与小孢子胚胎发育可能与脱落酸的诱导有关。此外,本研究利用酵母双杂交（yeast two hybrid）技术,通过遗传学方法分析蛋白质间相互作用,初步筛选出22个Hv SERK1互作蛋白,酵母一对一回转验证了6个互作蛋白,为进一步研究Hv SERK1参与调控网络提供了新的目标分子。在小孢子胚胎发育过程中,细胞染色体会自动加倍,利用小孢子离体培养可以获得稳定纯合的同源二倍体和四倍体。本研究以大麦“花30”品种开展小孢子离体培养获得的二倍体和同源四倍体为材料,比较其表型、生理和分子水平差异。结果表明,四倍体种子相较于二倍体更大,但种子发芽率明显较低,苗期植株生长缓慢,但是四倍体叶片较宽厚,叶肉细胞和气孔保卫细胞更大,气孔密度较低。通过二倍体和四倍体大麦叶片中叶绿素含量的测定,发现四倍体光合色素含量较高。对叶片进行多个光合参数分析,发现四倍体大麦光合作用较强,苗期干重远超过二倍体。对叶片总蛋白及多种氨基酸含量测定,四倍体大麦中叶片总蛋白含量较高,其中苏氨酸、丝氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、β丙氨酸的含量均显著高于二倍体大麦,其他氨基酸无明显差异,表明四倍体大麦有机物含量更高。通过转录组分析,二倍体和四倍体之间有793个差异表达基因（DEGs）,KEGG分析结果表明,光合天线蛋白通路最为丰富,在中午光合作用活性较高时,光合天线蛋白途径里四倍体样品中的光捕获叶绿素a/b结合蛋白（Lhcb1）相关的11个基因下调,q PCR验证进一步证实了上述基因表达下调,推测其保护免受强光照射伤害和保持其高光合能力。综上所述,本研究克隆了参与小孢子胚胎发育的关键基因Hv SERK1的启动子,并对其功能进行了初步分析,筛选验证了Hv SERK1的互作蛋白6个,为Hv SERK1参与胚胎发育相关机理研究奠定了基础;针对大麦小孢子胚胎发生途径获得的同源二倍体与四倍体,通过形态学、光合生理学和转录组学的综合分析,揭示了四倍体在光合作用与生物量积累方面的优势,为多倍体化机制的解析提供了有价值的线索。