近年来气候变化导致极端天气增多,全球人口不断增长给农业生产带来了前所未有的挑战,粮食安全是国家安全的重要基础。作物遗传改良能够促进粮食和营养安全,已经成为科学家关注的重要问题之一,但目前作物育种策略缺少足够的效率,还难以满足短期或长期的粮食生产需求,需要将传统育种、现代生物技术、基因组学研究与“speed breeding”（加速育种）相结合加速作物改良进程,帮助我们应对100亿人口粮食需求的挑战。基因组学能最大限度地发挥资源的有效利用、多样性、粮食产量和安全方面的作用,但需要在基因组和农艺性状水平上对尽可能多的种质资源进行鉴定,从而发掘和鉴定更多优良的基因资源将来应用于作物遗传改良。边际土地是保障我国粮食安全的战略后备耕地资源,我国新疆有3075.2万亩的边际土地,盐碱、沙性和干旱是主要的障碍因素。短命植物在新疆边际土地中广泛分布,起着防风固沙、保持水土、改善微生境、保护周边农田免受沙害等起着重要作用,因此对新疆尤其早春农业生物和生态环境的保护作出了重要贡献。开展短命植物适应环境的分子水平机理研究,为更好的合理利用和保护短命植物资源提供科学依据和理论支持,对未来作物育种、边缘土地的开发利用等有着重要的意义。小鼠耳芥（Arabidopsis pumila）是生长在古尔班通古特沙漠南缘荒漠地带的十字花科植物,表现出快速开花结果、结实量大、光合效率高和耐盐抗寒的特点,蕴藏着丰富的抗性基因资源。本论文研究以小鼠耳芥为研究材料,从生理与细胞水平、分子生物学角度等建立生物学研究体系,结合RNA-seq技术等层面探索其适应特殊生境的机制及抗性基因挖掘和育种利用价值。本论文研究主要研究内容和结果如下:1.小鼠耳芥组织培养与遗传转化体系的建立首先开展了组织培养实验,以幼嫩的根、下胚轴、叶片和叶柄为外植体,有效地在诱导培养基上诱导出愈伤组织和多个不定芽。诱导培养基为添加0.5 mg/L 6-苄氨基腺嘌呤和0.1 mg/L萘乙酸的MS培养基。在同一培养基上,幼根、下胚轴、叶片和叶柄均可诱导愈伤组织,其中,幼根诱导率最高。进一步以生长4周龄幼苗的叶片和叶柄为外植体,以小鼠耳芥Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase 1）基因P5CS1为目的基因,潮霉素B为筛选抗生素,采用外植体预培养、感染、共培养等程序,研究了农杆菌GV3101介导的遗传转化方法。结果表明小鼠耳芥幼根、下胚轴、叶片和叶柄四种外植体均可以诱导形成愈伤和不定芽,其中,根外植体的愈伤组织诱导率最高,而下胚轴的愈伤组织诱导率最低。对叶片和叶柄进行农杆菌侵染,发现侵染所需最适宜的农杆菌浓度与侵染时间均不同,但在适宜浓度的农杆菌侵染下,都可以形成愈伤和不定芽。进一步运用花序侵染法对小鼠耳芥花序进行农杆菌侵染发现,在一定时间范围内适当延长侵染时间,可提高农杆菌的转化效率,当花序侵染时间为30 s时,筛选效率可以达到0.67%。2.筛选合适的内参基因合适的内参基因是实时荧光定量PCR（qRT-PCR）精确分析基因表达的重要前提,本研究鉴定了ACT1、ACT2、ALDH、EF1B、GAPDH、HAF1、LOS1、UBC35、UBQ9和UEP共10个候选内参基因,选择编码钾离子吸收渗透酶的KUP9作为验证基因。对小鼠耳芥进行了干旱、热激、冷和盐四种非生物胁迫,分别在0、3、6、12、24和48 h取样,以及七个不同的组织:根、下胚轴、子叶、莲座叶、茎、花和长角果,提取所有样品的RNA进行qRT-PCR试验。实验数据利用ge Norm、Norm Finder、Bestkeeper和Ref Finder 4个软件对10个内参基因的表达稳定性进行分析。综合排名表明:（1）不同组织中,合适的内参基因是ACT1和GAPDH;（2）10%PEG6000处理下,合适的内参基因是HAF1和UEP;（3）250 m M Na Cl胁迫处理,合适的内参基因是GAPDH和ACT1;（4）低温（4℃）胁迫处理,合适的内参基因是GAPDH和UBC35;（5）在高温（40℃）胁迫处理,合适的内参基因的是GAPDH和UBQ9。综合来看GAPDH和UBQ9是所有样本中最合适的内参基因组合。KUP9基因的表达特征进一步验证了筛选出的合适内参基因的稳定性,说明筛选的内参基因适合于基因表达的标准化。3.不同生长发育时期的RNA-seq分析小鼠耳芥在早春萌发以后迅速生长,统计自然生境下小鼠耳芥整个生长周期的表型变化。结果发现,萌发后一个月内株高和叶片数增加最明显,特别在抽薹期（Growth Stage 1,GS1）、始花期（GS2）、结荚期1（GS3）、结荚期2（GS4）、结荚期3（GS5）这5个时期表现出快速生长发育。半个月内形成幼苗到成苗的转变,从营养生长到开花结果、以及果荚增长的形态变化。接着选取GS1、GS2、GS3、GS4和GS5共5个生长时期的叶片开展RNA-seq分析。构建15个文库,测序产生694,576,138条raw reads和660,395,266条clean reads,总测序量达到99.06 G;相关系数和主成分分析发现,GS1与GS2这两个时期差异不显著,并且差异基因个数最少,其余组间差异非常显著。五个生长发育时期共鉴出29,994个差异表达基因。GO和KEGG富集分析,结果发现大多差异基因富集在光合作用、核糖体、生理节律、α-亚麻酸的新陈代谢、氧化磷酸化、类黄酮生物合成和芥子油苷生物合成等通路。其中GS3与GS2,GS4与GS3,GS4与GS4时期相比,生理节律相关的差异表达基因个数分别为24、27和24个;CO、GI和FT等15个光周期开花通路相关基因差异表达变化非常明显。此外,GO富集分析发现KT/HAK/KUP基因家族在整个结荚期明显富集,暗示它们在小鼠耳芥的生长发育调控中起着重要作用。4.钾离子转运蛋白KT/HAK/KUP基因家族的全基因组鉴定与分析利用小鼠耳芥全基因组序列鉴定出26个KUP基因,并从琴叶拟南芥（Arabidopsis lyrata）、叶芽鼠耳芥（Arabidopsis helleri）、盐芥（Eutrema salsugineum）和亚麻荠（Camelina sativa）等4种十字花科植物中分别鉴定了14、14、16和40个KUP基因,系统进化分析表明123个KUP基因分为4个亚组。物种内共线性分析表明小鼠耳芥KUP的复制基因以全基因组复制（WGD）/片段重复方式为主,纯化选择是该家族基因进化的主要动力。利用15个组织的RNA-seq数据分析表明,超过1/3的基因成员在幼根中高表达,其次是种子和果柄组织。5个不同生长时期的RNA-seq数据分析表明,很多KUP成员参与植株快速生长,在结荚期（GS4和GS5）明显上调表达,表明该家族成员可能在植株增高和发育调控过程中起到非常重要的作用。qRT-PCR分析ApKUP基因响应逆境胁迫的表达特征,结果表明:（1）ApKUP基因表达明显响应高盐（250 m M Na Cl）、干旱（10%PEG6000）、低温（4℃）和高温（40℃）胁迫,表现出复杂的变化特征;（2）缺钾时,除Ap HAK5、ApKUP1.2和ApKUP6.1上调表达,其余ApKUP基因成员下调表达;（3）50μmo/L的茉莉酸甲酯（Me JA）和1μmo/L的脱落酸（ABA）显著影响ApKUP家族在根中的表达水平;（4）1μmo/L甲基紫精（MV）胁迫显著影响ApKUP在根和子叶中的表达水平。胁迫表达结果表明,ApKUP基因的表达积极响应非生物胁迫,但是不同复制基因对之间存在表达差异,说明KUP基因在进化中具有功能上的保守和分化。综合起来,本研究建立了小鼠耳芥遗传转化方法,筛选出了用于qRT-PCR实验的内参基因;以RNA-seq为基础挖掘了小鼠耳芥转录水平上参与生长调控的差异表达基因及代谢通路,如光合作用和生理节律,以及多个耐逆相关基因,如P5CS和KUP基因家族成员。发现这些基因在生长发育过程中快速响应逆境胁迫而上调表达,可能是赋予小鼠耳芥适应新疆荒漠环境快速开花成熟的适应性机制。本研究建立的研究系统为突破边际土地的改良工程体系与农作物育种技术体系提供理论参考,挖掘的基因资源可用于植物的抗性基因工程育种,为加快作物育种策略提供理论基础,为研究和开发更多短命植物资源提供思路,将来为新疆农业生物环境的改良和作物的遗传改良做出贡献。