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玉米（Zea may L.）是世界上重要的粮食、饲料和经济作物,其起源于热带和亚热带地区,对低温非常敏感,而东北地区是我国玉米主要种植区之一,由于地理条件等原因,春季经常遭受低温冷害侵袭,造成玉米大幅度减产,因此,研究玉米耐冷机制尤为重要。在自然界,植物地上部分和地下部分存在温差属于常见现象,但该温度差异对玉米植株的影响鲜有报道。此外,玉米茎基组织（crown）作为地上部分和地下部分重要的衔接部位,因其包含分生组织,对玉米逆境下存活至关重要,但目前未见冷胁迫对玉米茎基组织影响的相关报道。基于以上背景,本论文首先设置三种冷处理方式:整株、叶片和根冷处理,比较其对玉米植株的影响,揭示叶片和根对冷害致死的贡献及茎基组织存活机制;其次,通过转录组学分析玉米不同组织及不同耐冷自交系冷响应差异性,揭示玉米耐冷机制,并挖掘玉米耐冷相关基因;最后,初步探索玉米叶片和根远端冷响应,分析其可能存在的冷信号传递。本论文为今后进一步研究玉米冷响应分子调控及冷信号远距离传导奠定基础,具体研究内容及结论如下:1.为探究叶片或根冷处理对玉米植株的影响,本研究设置了三种冷处理方式:整株冷处理（4S4R:4℃shoot+4℃root）、叶片冷处理（4S26R:4℃shoot+26℃root）和根冷处理（26S0R:26℃shoot+0℃root）。将三叶期玉米自交系B73植株分别按以上三种方式冷处理3-7天,恢复培养后统计其存活率。结果表明,整株冷处理玉米植株存活率最低,且存活植株在恢复培养过程中茎基组织部位有新叶片和根长出,表明茎基组织对玉米植株存活起重要作用。进一步通过RNA-seq和q RT-PCR分析玉米茎基组织存活机制表明,茎基组织在冷胁迫条件下通过抑制其细胞周期进程保持存活,其抑制程度与冷胁迫程度成正比,而可能与存活率成反比。2.转录组数据48个样本主成分分析（PCA）表明,玉米不同组织间存在差异性。通过分析玉米叶片、根、茎基上部和下部组织在冷胁迫条件下差异表达基因（DEGs）及其富集的生物过程（BPs）表明,玉米茎基上部和下部组织较为相似,冷胁迫主要激活其转录调控,抑制其热响应通路;在叶片中,冷胁迫主要激活了脱落酸（ABA）信号通路;在根中,冷胁迫主要激活了其清除活性氧的能力,并抑制了其蛋白质降解通路。此外,冷胁迫诱导ABA生物合成和响应在玉米不同组织中也存在差异性。通过q RTPCR分析表明,冷胁迫诱导ABA生物合成基因醛氧化酶3（aldehyde oxidase 3,AAO3）在玉米叶片、根和茎基组织中都上调表达,但在叶片和根中相对表达量较高,表明ABA生物合成主要在叶片和根中,而ABA响应通路主要富集在叶片和茎基组织中,揭示ABA可能存在远距离信号传导。另外,转录组数据比较分析表明,玉米、水稻和拟南芥冷响应生物过程富集存在差异性,共90个富集的生物过程中有76个特异富集在其中一个物种中,由此可见,玉米冷胁迫响应与其它模式植物存在差异性,有待进一步研究。3.为进一步鉴定玉米组织冷响应生物过程与玉米耐冷相关性,本研究通过表型观察和电解质渗漏实验,从11个玉米自交系中筛选获得两个耐冷玉米自交系（B73、B104）和两个感冷玉米自交系（CML333、M37W）。通过RNA-seq及q RT-PCR分析表明,叶片中转录调控、ABA生物合成及响应、环境响应、光合作用、生长和细胞通讯、氮化合物代谢和水响应通路上调富集,及翻译过程相关通路下调富集与玉米耐冷性相关;茎基组织中转录调控及ABA响应通路上调富集和热响应通路下调富集与玉米耐冷性相关。此外,通过多转录组学联合分析及蛋白质互作网络分析,鉴定出32个与玉米耐冷相关基因。4.通过对32个玉米耐冷相关基因中的ZmERF4进行功能鉴定,表明其基因候选具有可行性。ZmERF4属于AP2/ERF家族转录因子,通过分析该家族基因在玉米不同组织及不同自交系中的表达情况表明,AP2/ERF家族基因上调表达与玉米耐冷相关。q RTPCR分析表明,ZmERF4属于较强冷响应基因;生物信息学分析及瞬时转化玉米原生质体表明,ZmERF4属于ERF亚家族,定位于细胞核;通过构建ZmERF4过表达载体,遗传转化拟南芥进行功能鉴定表明,过表达ZmERF4使拟南芥叶柄变短,耐冷性和抗冻性提高;电解质渗漏和q RT-PCR分析表明,过表达ZmERF4使拟南芥叶片在冷胁迫条件下电解质渗漏降低,并激活拟南芥CBF通路,提高其耐冷性和抗冻性。5.除耐冷相关生物过程和相关基因鉴定外,进一步对玉米叶片和根远端冷响应进行分析。通过比较分析整株、叶片和根冷处理对玉米叶片和根的影响,结果表明,玉米叶片和根远端冷响应不同于其局部和整株冷处理时的响应。玉米叶片远端冷胁迫可能通过ABA和缺营养元素将冷信号传递到叶片中,玉米根远端冷胁迫使根中光合作用相关基因上调表达,而其具体功能及信号传导机制需要后续进一步研究。综上,本研究主要通过转录组学对玉米不同组织耐冷存活机制及远端冷响应进行了全面阐述,为今后研究玉米耐冷机制及冷信号远距离传导奠定了理论基础。