柳叶稷是生长在北美的多年生植物,因其具有超强的适应能力,并能产生高量的生物质,因此被作为生产纤维素乙醇的重要能源作物。有研究预测,在未来的40年内,随着世界人口继续增长,农业生产必须增长至60%左右才能达到人类对食物的需求,但事实上四分之一的土地已经退化。为了减少对土地的竞争力和提高经济效益,柳叶稷一般会被种植在土地的边缘地带,然而这些地方经常受到干旱和盐的胁迫。最近的研究结果表明这两种胁迫严重降低柳叶稷的木质素产量。这表明理解柳叶稷是如何适应这两种胁迫是当前的紧迫任务。目前人们仅知道一些具体的生理、形态、代谢数据和蛋白与柳叶稷的抗性有关,以及低地生态型比高地生态型有较好的抗性,然而对于是何种机制使得低地生态型比高地生态型有较好抗性了解甚微。此外,简单的以基因为中心的方法不能将植物响应压力时的多种代谢和调控之间的复杂关系梳理清楚,并且有研究表明转录调控机制在植物响应外界胁迫时发挥重要作用。鉴于上述问题,本文基于柳叶稷的两种生态型在干旱和盐胁迫下的带有时间点的基因表达数据,构建和分析了两种生态型在两种胁迫下的基因调控网络。该项工作有助于人们理解柳叶稷在干旱和盐胁迫下的复杂调控机制,或将有助于构建抗性更强的植物。此外,有研究表明可变剪接(Alternative Splicing,AS)作为转录后调控的一部分,在植物响应外界胁迫时发挥关键作用,本文希望对可变剪接在植物的抗干旱和盐胁迫性所发挥的作用做进一步的研究。然而,目前柳叶稷的基因组和基因结构注释存在以下问题:部分组装和大量的AS转录本未被发现,其原因在于组装短读数到基因组或转录本仍旧非常困难。此外,短读数的计算组装会产生低质量的转录本和错误的基因结构注释。PacBio单分子实时测序技术的出现有望更准确地阐述所有生物体的全长(full-length,FL)转录本,尤其是柳叶稷这种杂合多倍体。该测序技术可测得长达50kbp的转录本,故可直接识别基因中的所有AS转录本而不需要计算组装,并可用于提高基因结构注释的准确性。但是,与二代测序技术进行比较,该技术存在高错误率(15%)和低通量的缺陷。虽然研究者们设计了许多算法和软件来修正PacBio测序数据,但是该技术的传统数据分析方法中存在着大量测序数据的浪费,即未对非全长(non-FL)转录本进行进一步地修正和分析。鉴于上述问题,本文基于柳叶稷的PacBio数据集,设计了一个新的统计模型和数据分析方法,识别该数据集中的所有转录本信息(包括non-FL转录本),并识别有助于提高柳叶稷基因组组装和基因结构注释的新信息。该项工作为进一步的柳叶稷的和功能分子生物学研究奠定了基础。本文的主要研究内容如下:(1)基于二代测序数据的抗干旱和盐胁迫性分析将干旱和盐胁迫下的处理组与未处理组进行比较,识别了发挥关键作用的2,441和2,429个应激反应基因,包括TF和靶向基因(Target Gene,TG);通过TF和TG间的共表达分析方法识别了初始的调控关系,将网络组分分析方法用于处理初始的调控网络和基因表达数据来重构转录因子活性和计算控制强度,并预测了最终的调控网络;基于物种间调控关系的保守性和相同TF调控的TGs之间的功能相似性,验证了超过40%的上述调控关系;将基因调控网络和基于时间的隐马尔可夫模型相结合,来为每种生态型构建随着时间变化的动态调控网络,从而从系统水平上理解适应胁迫时不同代谢和调控之间的复杂联系。通过分析两种生态型的动态调控网络之间的差异性和一致性,推断出柳叶稷的低地生态型和高地生态型在调整细胞渗透压,保持细胞内离子平衡,维持氧化还原平衡等方面有不同的调控系统。此外,该实验结果得到了相关代谢数据和文献的合理性验证。(2)基于PacBio测序数据的转录本识别与分析采用PacBio的传统数据分析方法处理柳叶稷的PacBio测序数据,识别了265,773个正确的FL转录本,并基于这些转录本在基因组中的映射结果发现了6,195个基因组区域可能存在不正确地组装;基于PacBio碱基错配特性,设计了一个新的统计模型和数据分析方法来修正non-FL转录本,从而识别了657,991个正确的non-FL转录本,并基于这些non-FL转录本在基因组中的映射结果发现了2,549个基因组区域可能存在不正确地组装;基于上述正确的FL和non-FL转录本,识别了105,419个不同的PacBio转录本,其中~77,000个是新的转录本,以及~37,000个来自于non-FL转录本,并将这些PacBio转录本与基因结构注释相比较,发现16,640个柳叶稷基因可能存在不正确的结构注释;在上述PacBio转录本中识别了60,096个AS转录本。此外,上述实验结果得到了Illumina和Sanger测序数据的验证。本文旨在基于转录组学数据,研究转录调控和转录后调控机制在植物响应干旱和盐胁迫时所发挥的作用。在进一步的研究工作中,将第二项研究中识别的信息用于完善柳叶稷的基因组和基因结构注释,随后,基于新的基因组和基因结构注释,探究柳叶稷响应胁迫时,可变剪接事件在其中所发挥的作用。