禾本科是种子植物中最有经济价值的大科,是人类粮食和牲畜饲料的主要来源,也是工业的重要原料。近年来基因组学的迅猛发展,对禾本科植物重要性状相关功能基因的分子进化研究提供了依据。通过对当前已经完成测序的禾本科物种基因组的比较分析发现,虽然这些物种的基因组序列存在一定的共线性,但基因组信息差异较大。禾本科植物现有的染色体模式主要是通过基因组加倍和染色体融合等进化方式形成的。禾本科植物基因组中很多基因以基因家族的形式存在,而且在不同物种中通过复制和丢失的方式而表现出—定的物种特异性。发生重复的基因在进化过程中可能会经历适应性进化等方式产生特定的功能。高温、干旱、低温以及盐碱等非生物胁迫是影响植物生长发育的重要因素之一,尤其对于禾本科农作物的产量和品质提高有很大的影响。因此本研究拟基于生物信息学和分子生物学方法对禾本科植物中与非生物胁迫相关的基因家族AEE、β-淀粉酶(beta-amylase, BAM)和Hsf分别进行系统的比较和进化分析,不仅有助于阐明了禾本科植物受非生物胁迫的分子机理,还可以为利用遗传改良方法提高禾本科植物耐非生物胁迫能力提供理论基础。主要结果如下：(1)AEE蛋白属于烯醇酶超级家族的一个亚群,它在细菌体内起到催化L-Ala-D/L-Glu和其他二肽的差向异构化反应,参与肽聚糖的胞壁质肽的代谢过程。虽然在植物中缺少肽聚糖,但是陆生植物体基因组中具有AEE基因,并且与细菌中AEE基因具有高度的序列相似性。基于序列相似性搜索发现当前已经完成测序的陆生植物基因组中普遍含有编码AEE的基因；然而,在其它任何真核生物中,都没有检测到编码含有L-Ala-D/L-Glu_epimerase结构域的基因,甚至包括与陆生植物近亲的绿藻和红藻中也没有AEE基因的存在。进一步研究发现陆生植物AEE基因的同源基因仅存在于原核生物中,并且大部分是存在于细菌的基因组中。系统进化树分析发现陆生植物AEE基因与某些细菌中的同源序列组成了一个分枝,并具有很高的支持率。此外,陆生植物AEE蛋白与这些细菌中的同源蛋白序列具有最高的相似性。基于AEE基因在物种间的分布、序列的系统发育关系以及序列相似性,表明陆生植物AEE基因是早期通过一次水平基因转移从细菌中获得的,该水平基因转移事件是在植物登陆陆地的最初阶段发生,并可能与陆生植物登陆初期对恶劣环境的适应有关。进一步分析还发现陆生植物AEE基因在其祖先物种进化早期经历了正选择作用,从而使AEE基因在陆生植物的基因组中固定并垂直遗传下来。通过表达分析发现陆生植物AEE基因的转录可能受多种非生物胁迫、激素以及光信号的诱导。(2)β-淀粉酶(beta-amylase,BAM)是一类关键的淀粉水解酶,在禾谷类作物生长发育过程中起着重要作用,与植物多种非生物胁迫响应相关。本研究通过系统发育分析将5种禾本科植物中共54个BAM基因分为10个同源基因簇,每个同源基因簇都涵盖了这5个物种,因此推测在禾本科祖先物种中至少含有10个BAM基因并且在禾本科植物分化之后没有发生明显的基因丢失事件。基于对编码蛋白质序列的功能分化分析表明同源基因簇间存在明显的进化速率的差异。对10个同源基因簇进行了适应性进化检测,发现有3个同源簇在禾本科植物的进化过程中经历了适应性进化。对所有54个基因的分析发现18个基因经历了适应性进化。此外,对水稻p-淀粉酶的表达分析发现一些p-淀粉酶具有组织特异性表达特征,并且至少有5个水稻的β-淀粉酶基因具有受到非生物逆境的胁迫而表现出不同的表达模式。(3)在非生物胁迫环境下,尤其是热胁迫下,植物热激转录因子(Hsf)对热激蛋白表达起到调节作用。对禾本科植物热激转录因子的适应性进化分析将为揭示这一重要转录因子基因家族的分子进化规律,并为在全球气温升高的背景下通过对这些基因的利用而开展作物遗传改良提供借鉴。本研究基于生物信息学方法和基因的表达分析等对水稻、玉米、高粱、短柄草和谷子5个禾本科植物基因组中的Hsf基因进行了系统的比较和进化分析。基于系统进化树和基因组共线性发现5种禾本科植物的Hsf基因分属24类同源基因簇,表明禾本科植物的祖先物种含有24个Hsf基因,而现有物种内基因数目的差异主要由于基因重复和基因丢失引起的。进一步分析发现禾本科植物Hsf基因在供试物种中共发生了9次基因重复和5次基因丢失事件。利用极大似然法对24个同源基因簇进行正选择作用检测,发现其中的16个同源基因簇经历了适应性进化,并且发现具有基因重复/丢失现象的同源基因簇更易受到正选择作用的影响。在所有的9对旁系同源基因中,其中8对仅有一个重复基因经历了正选择作用,说明在在基因重复之后,由适应性进化引起的新功能化仅作用于一对同源基因中的一个基因。分别对玉米和水稻的Hsf基因进行了非生物胁迫下的表达分析,结果发现玉米和水稻Hsf基因对不同非生物胁迫响应,并且重复基因之间存在具有不同的表达模式。