芍药(Paeonia lactiflora Pall.)在中国被认知和栽培已经接近4000年,伴随了大半个中华民族文明史。华北、西北和东北等地区是芍药分布或栽培较为繁盛的地带,但以浙江为代表的江南地区却难以见到芍药的大量推广使用。如同“梅花北移”一样,“芍药南移”也是著名的园林植物学、观赏园艺学和风景园林学问题,让芍药花缤纷江南大地,是利国利民、功在千秋之举。本研究以菏泽芍药和浙江的‘杭白芍’为研究对象,对芍药在杭州的园林应用现状、引种栽培、高温胁迫下的生理生化响应、耐热性评价、生长适应性评价、打破地下芽休眠的需冷量、花期调控、芽休眠的转录组测序、休眠相关差异基因表达、南北芍药杂交育种等,展开了为期4年的研究,希望能够为“芍药南移”的实现做出贡献。1芍药在杭州的园林应用和4年引种栽培相比牡丹(Paeonia suffruticosa Andr.),芍药在杭州公园绿地中的品种、配置手法和形成特色景观的数量均非常少。西湖花港观鱼公园芍药圃是栽培芍药最集中的区域,但也存在着严重的生长与开花退化现象。芍药在杭州等江南园林中难以推广使用,主要原因有：(1)江南冬季温度较高,导致需冷量无法满足,萌芽、生长和开花受影响；(2)春季温度较高,导致花茎徒长和“垂头”,花期过短； (3)夏季酷热潮湿,经发茎叶严重日灼、热害和孳生病虫害等。培育低需冷量、花型简单、花茎粗壮、耐热性好的本土品种,结合有针对性的科学研究、新品种推广和工厂化生产,是实现“芍药南移”的重要环节。为实现“芍药南移”,引种是第一个工作环节。本研究在杭州引种了29个菏泽芍药品种和浙江本土药用的杭白芍,并开展为期4年的生长发育年周期观测,指标涵盖萌芽、生长、开花和枯萎等各个环节。结果,发现‘杭白芍’、‘观音座’、‘奇花霜露’等生长和开花性状较好,适合杭州地区推广使用,而‘红锦球’、‘巧玲’、‘五花龙玉’等品种的生长和开花性状较差。‘杭白芍’的分类尚存争议,在本研究中暂时被作为一个品种看待。2高温胁迫下的生理生化响应和耐热性、生长适应性综合评价利用热害指数、相对叶绿素含量和半致死温度对30个芍药品种进行初步的耐热评价,发现‘杭白芍’、‘杨妃出浴’和‘红金刚’的耐热性最强,‘巧玲’、‘大富贵’和‘晴雯’的耐热性最弱。对其中的10个品种进行了热胁迫下的生理生化测定,强耐热品种的相对电导率(relative electrical conductivity, REC)和丙二醛含量(malondialdehyde content, MDA)较低,相对含水量(relative water content, RWC)、叶绿素含量(chlorophyll content, CC)、可溶性糖含量(soluble sugar content, SSC)、可溶性蛋白含量(soluble protein content, SPC)、抗坏血酸过氧化物酶活性(ascorbate peroxidase activity,APX)、最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光能转换效率(Fv/Fm)、PS Ⅱ光和电子传递量子效率(OPS Ⅱ)、光化学淬灭系数(qP)和表观光和电子传递速率(ETR)等均较高,超氧化物歧化酶活性(superoxide dismutase activity, SOD)变化不稳定。利用隶属函数法和隶属函数结合主成分分析法评价具有代表性的10个芍药品种耐热性,发现本土种质‘杭白芍’和植株密布白毛的‘杨妃出浴’耐热性较强,‘晴雯’和‘大富贵’耐热性较差。利用层次分析法评价综合生长适应性,发现‘奇花霜露’、‘杭白芍’和‘山河红’是表现最好的品种,值得在杭州等江南地区园林中予以推广使用,或优先用作亲本,培育江南品种；‘巧玲’、‘晴雯’和‘红锦球’是表现最差的品种。层次分析法评价芍药引种后的生长适应性,是建立在4年引种观测、耐热实验和评价、杂交育种实践等数据基础之上。3‘杭白芍’在自然和人工低温下的需冷量、花期调控及休眠生理自然低温下,‘杭白芍’打破芽休眠的最低需冷量为540 CH(cumulative chilling hour)和665 CU (cumulative chilling unit),最佳需冷量为795 CH和906 CU；在人工给予的冷库低温下,则为672 CH和590.69 CU。单纯将自然低温与温室处理相结合,可以明显将‘杭白芍’花期提前35-40天；使用5-氮杂胞苷抹芽的催芽和催花效果并不明显；赤霉素盆灌的催芽效果明显,但植株总会倒伏和枯萎；在0-4℃的冷库中处理2周,可将‘杭白芍’花期提前75天左右,而处理4周并结合300mg/L的腐植酸处理至花期,可将花期提前60天左右,并保证较好的开花效果。在自然低温下‘杭白芍’的芽休眠过程中,可溶性糖含量上升,淀粉含量下降,IAA/ABA变化不稳定,POD活性稳步上升；在芽萌发过程中,可溶性糖含量和POD活性均大幅下降,IAA/ABA则迅猛上升,淀粉含量基本不变,保持在相对较低的水平。4‘杭白芍’地下芽休眠阶段划分和休眠转录组测序‘杭白芍’地下芽经历了5个休眠阶段：生理休眠阶段、生理与生态休眠转化阶段、生化休眠阶段、生化休眠与芽萌发转换阶段、芽萌发阶段。利用RNA-seq对休眠和萌发期间6个阶段的‘杭白芍’地下芽进行测序,并通过"Trinity"和“Trinity+PRICE"两种拼接方法分别获得207,827和51,481个unigene。在基于第2种方法的基础上,筛选出了2,057个差异表达基因,并进行了数量对比、GO功能富集、表达模式和聚类等分析。5‘杭白芍’地下芽在休眠期间的差异基因表达‘杭白芍’芽休眠过程中的差异表达基因,可以主要划分为环境响应相关基因、代谢相关基因和细胞生长发育相关基因。随着休眠进程不断向前推进,与温度响应相关的suppresspor of overexpression of constans1 (SOC1)和late elongated hypocotyl (LHY)基因先上调后下调,可能与需冷量、抗寒性和生理节律相关；光敏色素(phytochrome, PHY)、热激蛋白(heat shock protein, HSP)和渗透蛋白(osmotin, OSM)基因在芽萌发阶段上调,可能是受到了显著变化的光照和温度因子的诱导,推动‘杭白芍’芽休眠的解除和萌发；水孔蛋白(aquaporin, AQP)、脱水蛋白(dehydrin, DHN)、贝塔淀粉酶(β-amylase)、H+-ATPase.生长素抑制蛋白(auxin-repressed protein, ARP)、赤霉素抑制因子(repressor of GA, RGA)、GA20氧化酶(GA20 oxidase, GA20ox)、乙烯响应元件结合因子(ethylene responsive element binding factor, ERF)和过氧化物酶(peroxidase, PER)等因子的相关基因,与水分代谢和物质转运、碳水化合物和能量代谢、激素代谢和抗氧化代谢相关,在芽休眠过程中表达话跃,推动或抑制了休眠解除；细胞周期蛋白(cyclin, CYC)、膨胀素(expansin, EXP)、组蛋白(histone)、染色质浓缩调节因子(regulator of chromosome condensation 1,RCC1)等相关基因调控细胞周期和细胞分裂,多数基因的上调表达与芽长的增长和细胞的分裂是吻合的。差异基因表达的研究结果是基于转录组测序获得的FPKM(the value of fragments per kilobase of exon model per million mapped reads)值,还需要通过其他的分子生物学手段进行验证,并挖掘更多与休眠相关的重要基因。6南北芍药品种间的杂交育种实践利用2,3,5-氯化三苯基四氮唑(triphenyl tetrazolium chloride, TTC)、醋酸洋红(aceto carmine)和碘-碘化钾(I2-KI)三种染色法和培养基萌发法观测‘杭白芍’花粉生活力,平均为55.60%,活力较高。菏泽芍药品种间的杂交虽然结种,但不能萌发。由‘杭白芍’作父本参与的杂交组合几乎都能够结种和萌发,杂交苗生长健壮。将华北与浙江芍药品种进行杂交是一条可行之路,有可能培育出适应江南气候、具备本土自主知识产权的江南芍药新种质。在本博士论文完成之际,杂交苗培育和观测仍然在进一步进行中。