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水韭属（Isoetes）,是石松类水韭目水韭科（Isoetaceae）唯一现存的属,是最早的维管植物代表类群之一,在整个植物系统发育历史上占据了重要的地位。前期研究显示,水韭属与现存的石松属（Lycopodium）和卷柏属（Selaginella）等石松类植物比较而言,经历了一个完全不同的进化历史,它从石炭纪高大的鳞木目（Protolepidodendrales）木本植物,经三叠纪的肋木属（Pleuomeia）或脊囊属（Annalepis）植物,通过茎极度缩短为球状、营养叶消失等一系列退化式进化过程,演变成现在的草本植物。从形态特征来看,水韭属借助植物体大小上的退化式进化来实现水韭属适应性进化过程,然而水韭属植物的茎由高大坚韧的木本茎退化成矮小木质化程度极低的草本茎过程,发生了哪些对应的分子进化事件,与茎维管组织生长发育相关的功能基因在水韭植物的进化过程中是通过表达调控模式的改变还是通过遗传变异模式来适应环境,相关科学问题有待进一步研究。本研究以水韭属植物云贵水韭（Isoetes yunguiensis）幼苗期、生长期和成熟期三个不同发育时期茎为研究对象,利用转录组高通量测序技术,分析不同时期茎的基因表达模式,挖掘筛选参与维管组织形成的关键功能基因,克隆分析相关基因的结构,为进一步的研究提供理论依据。主要研究结果如下:1、云贵水韭不同时期茎基因表达模式研究（1）幼苗期,生长期,成熟期分别得到15711,14809,16881条Unigene,具有时期特异性的Unigene共有4554条,组成型表达的Unigene有13870条;仅在幼苗期,生长期,成熟期表达的基因分别有702,632,2131条;从幼苗期到生长期转变过程中,幼苗期特异表达的有1333条Unigene,生长期特异表达的有881条Unigene,以及从生长期到成熟期转变过程中,生长期特异表达的有1140条Unigene,成熟期特异表达的有2762条Unigene;（2）植物茎进入生长期和成熟期后,表现出很多优势功能途径,生长期的优势功能途径有翻译,核糖体结构和生物形成,转录后修饰,蛋白质折叠,伴侣蛋白,以及碳水化合物运输,成熟期的优势途径中除了生长期中6大途径外,明显增强的就是能量代谢与转换。整体上在植物由幼苗期进入生长期再到成熟期的过程中,分子水平上参与DNA复制、重组和修复、翻译、翻译后修饰、蛋白质折叠,核糖体结构和生物发生,细胞水平上参与细胞内运输分泌、小分子物质体内运输与代谢、次生代谢产物的生物合成、运输和分解代谢,生物学过程中参与植物响应外界的刺激、生殖过程、生长发育、能源生产与转换过程的基因数目呈现出一个持续增加的趋势;参与RNA加工和修饰、细胞周期调控、细胞分裂,染色体分裂、防御机制、信号转导机制、细胞结构生物发生过程的基因数目在植物茎由幼苗期进入生长期后,数目有所减少,进入成熟期后数目又转而增加,以上差异性一定程度上反映出植物茎在幼苗期和成熟期有较强的细胞增值与分化,胞间联系,信号转导调控以及植物体积极防御外界刺激生物学途径,而这可能与植物茎在幼苗期有着比较精密的形态学建成调控途径和成熟期有着较为复杂的生殖调控途径有关;（3）根据转录因子预测分析结果,共预测到1534条转录因子,主要聚类到78类转录因子家族,转录因子聚集数目最多的11类转录因子家族中大部分转录因子如AP2/ERF-ERF,MYB,BHLH,SET,b ZIP都是与维管组织发育相关的,说明维管组织的发育在植物茎的发育阶段中占据主要地位。2、云贵水韭茎维管组织发育关键功能基因的分析与鉴定研究（1）本次实验从云贵水韭不同时期茎转录组数据中共注释到27条与茎维管组织发育有关的Unigene,其中包括GRAS家族注释到6条:SCARECROW-LIKE 30、SCARECROW-LIKE 28、SCARECROW-LIKE 18、SCARECROW-LIKE 11、SCARECROW-LIKE 7和SCARECROW;MYB家族筛选到6条基因:MYB3R-1、MYB30、MYB3、MYB3R4、APL2和APL-LIKE;NAC家族共筛选到5条基因:分别为NAC105、NAC083、NAC072、NAC071和NAC002;ARF家族共筛选到3条基因:AGD3、GNOM和ARF2A;HD-ZIP III TF家族共筛选到3条基因:ATHB8、ATHB3和ATHB2;PIN家族筛选到2条基因:PIN4和PIN3;LRR-RECEPTOR家族筛选到2条基因:BRI1和BRI1-LIKE;（2）通过TA克隆实验,获得云贵水韭茎NAC002和SCARECROW同源基因编码区全长,将其分别命名为Iy NAC002及Iy SCARECROW。序列分析结果显示:云贵水韭NAC家族Iy NAC002同源基因由873 bp核苷酸组成,编码291个氨基酸残基;Iy NAC002同源基因在核苷酸序列水平及氨基酸序列水平均与被子植物门双子叶植物纲植物刺苞菜蓟（Cynara cardunculus）和向日葵（Helianthus annuus）同源性最高;且系统发育分析显示,Iy NAC002同源基因在核苷酸及氨基酸序列水平上也与刺苞菜蓟和向日葵聚到一支。这是否暗示着水韭属中Iy NAC002同源基因与其次生生长不发达,且经过水陆重复的适应性过程有关,相关研究有待进一步证明。GRAS家族Iy SCARECROW同源基因由1839 bp核苷酸组成,编码613个氨基酸残基;Iy SCARECROW同源基因与茎高度发达的裸子植物辐射松（Pinus radiata）和欧洲赤松（Pinus sylvestris）同源性最高,但其编码的氨基酸序列仍与近缘物种石松类江南卷柏（Selaginella moellendorffii）同源性最高,系统发育分析显示,Iy SCARECROW同源基因在核苷酸水平上与裸子植物聚到一大支,氨基酸水平上仍与近源物种较为接近,与拟南芥植物中该基因编码的氨基酸序列比对,发现该基因5’端将近缺失40个氨基酸序列长度,这可能与该基因在5’端密码子发生无义突变,形成UAA终止密码子有关,这是否暗示着水韭属中Iy SCARECROW同源基因曾经存在与维管组织相对发达的裸子植物相似的功能,但在适应性进化过程中其基因结构发生变化,致使蛋白质所承担的生物学功能发生了较大变化,从而导致茎的退化式进化?相关研究有待进一步证明。3、云贵水韭茎木质素合成关键基因的结构与功能分析本次实验同时从水韭属植物云贵水韭茎反转录c DNA和基因组DNA中克隆出Iy CCoAOMT基因,结构分析显示:其基因组DNA含有四个内含子,五个外显子,从起始密码子ATG到终止密码子TAG共由774 bp核苷酸组成,编码257个氨基酸,分子质量为29020.25,蛋白理论等电点IP值为5.20,三维结构包含两个S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosy l-L-methionine,SAM）结构域和两个钙离子结合位点,该结构在不同植物中具有一定的保守性,系统进化关系显示该基因编码的氨基酸序列与近源类群卷柏属最为相似。CCoAOMT同源基因在木质素的合成中具有重要作用,其蛋白结构也高度保守。水韭属植物在倒退式进化过程中由高达的乔木退化到草本,其木质素含量是大量减少的,说明该基因很可能是通过改变表达调控模式来调控木质素含量的,但Iy CCoAOMT同源基因在水韭属中是如何调控表达的,还需要相关研究进一步证明。