毛白杨是我国重要的白杨派乡土树种,广泛应用于我国的城乡绿化、用材林建设以及纸浆造纸。对毛白杨开展开花调控的分子机制研究具有以下意义:为促进毛白杨提早开花,缩短育种周期,加速遗传改良具有推动作用;为解决春季飞絮散粉问题奠定理论基础;阐明毛白杨花发育的分子调控机理,构建基因调控网络,并为其他多年生木本植物开花调控的分子机制研究提供借鉴。本研究以毛白杨为试材,在解析花芽形态分化规律的基础上,选取花发育过程8个关键时期的样本,利用二代测序技术,开展花发育过程的转录组学研究。利用毛果杨基因组和相关数据库进行unigene的功能注释。在此基础上对花芽发育过程转录组模式变化进行分析,筛选差异基因,并对差异基因进行GO富集分析。在全基因组水平分析控制毛白杨花发育的关键基因和基因家族,联合使用RNA-seq和实时荧光定量PCR技术对关键基因的表达规律进行深入解析。筛选与毛白杨花分生组织和花器官发育相关的基因,构建权重共表达基因调控网络,挖掘关键节点基因。全面分析毛白杨转化酶基因家族,包括基因结构、系统进化、基因定位和复制、以及表达模式等。测定毛白杨花发育过程中转化酶活性和糖含量;在形态解剖的基础上,结合转化酶基因的表达规律,从形态发生、生理生化和基因表达三个层面进行关联分析,阐明毛白杨花发育过程。克隆与杨树开花调控紧密相关的关键基因和启动子,分析序列特征和系统进化关系,进行表达模式分析,构建植物表达载体,转化拟南芥和毛白杨,对转基因植株进行一系列的分子检测和表型观察,综合评价基因功能。本研究取得了如下主要结果:(1)测序结果显示在8个关键花发育时期的转录组中,经过de novo序列组装,共得到109,212条长度大于200 bp的unigene,其中差异表达的基因有6,959个,近三分之一的差异基因属于转录因子基因。基因功能富集分析显示“响应环境因素”和“植物类孢子发育”被显著富集。通过对关键基因的表达规律分析显示,MADS-box、Squamosa promoter binding protein-like、受体激酶、FLOWERING LOCUS T/TERMINAL FLOWER LIKE1、LEAFY、WUSCHEL和CONSTANS等基因在毛白杨花芽发育不同时期发挥重要作用。ACYL-COA SYNTHASE、ABORTED MICROSPOSRE、CYTOCHROME P450 和 DEFECTIVE IN MERISTEM DEVELOPMENT AND FUNCTION 1等基因表达量在毛白杨雄花芽小孢子发生时期显著上调。筛选出98个与花分生组织和花器官发育紧密相关的基因,并构建权重共表达网络,结果显示大多数的节点基因属于MADS家族,APETALA1(AP1)和HUA1处于调控网络的枢纽位置。(2)杨树转化酶基因家族共有24个成员,其中酸性亚家族8个成员,中性/碱性亚家族16个成员。24个基因分布在杨树14条染色体上。片段重复造成了中性转化酶亚家族的扩张,正向选择和纯化选择共同发挥作用。转化酶基因在毛白杨中的表达模式表明,大多数基因在根、茎、叶等组织部位组成型表达,一些成员的表达具有器官特异性。不同转化酶基因在雌雄毛白杨花芽发育过程中呈现出不同的表达规律。同时毛白杨转化酶基因可以响应盐、冷胁迫和病菌感染。转化酶活性和糖含量测定结果表明转化酶基因在毛白杨不同组织和器官中的蔗糖代谢过程发挥着重要作用。(3)利用PCR技术从毛果杨基因组DNA中克隆出AP1-2基因上游一段2,103 bp序列。序列分析表明PtrAP1-2pro含有TATA-box、CAAT-box等启动子基本元件,以及多种光响应元件。构建PtrAP1-2基因启动子驱动GUS报告基因的植物表达载体。利用农杆菌介导的瞬时表达法转化烟草,结果表明PtrAP1-2启动子可以驱动GUS基因在烟草的萼片和花瓣中特异表达,在根、茎、叶、雄蕊和心皮等其他组织部位里没有GUS表达活性,这表明PtrAP1-2pro为花器官特异表达启动子。杨树中有两个AP1同源基因,它们CDS的一致性为88.8%。染色体定位显示,PtrAP1-1位于8号染色体上,PtrAP1-2位于10号染色体上。系统进化结果显示PtrAP1-1和PtrAP1-2同属于真双子叶AP1亚家族,两个蛋白都是MIKCc类型的MADS-box蛋白。毛白杨PtAP1-1和PtAP1-2基因在成年期的各个组织部位的表达量相对较高,包括成熟叶、营养芽、雌雄花芽和雌花絮;而在童期的根、茎、叶等组织部位的表达量相对较低。在雌雄花芽中的时序表达特性结果显示,PtAP1-1和PtAP1-2的表达规律大致相似,但是在雄花芽中的表达高峰早于雌花芽。(4)利用显性负突变结构e35Spro-AtAP1M3转化拟南芥和毛白杨。相较于野生型拟南芥,转基因植株开花时间平均推迟10天,莲座叶数目平均少3片,高生长受到比较明显的抑制,并且花器官形态发生明显变异。对转基因毛白杨中其他内源开花关键基因的表达量进行检测,发现花分生组织特征基因PtLFY、开花途径整合子PtFT1,B类基因PtAP3和PtPI的表达量明显降低;相反,开花抑制子PtTFL1和PtSVP的表达量明显升高。这些调控开花时间和花器官发育的关键基因的表达量变化(即:开花促进因子的表达量受到抑制,而开花抑制因子表达量却升高),将可能会对毛白杨开花时间和花器官的发育造成一定程度的影响。(5)从毛白杨中分离克隆了FT同源基因PtFT1和PtFT2。测序结果表明PtFT1和PtFT2编码区长度均为525 bp,可编码174个氨基酸。PtFT1和PtFT2所推测的氨基酸序列包含FT类蛋白保守基序(LGRQTVYAPGWRQN)和两个关键性氨基酸残基Tyr84(Y)、Gln139(Q)。系统进化分析进一步表明PtFT1和PtFT2属于FT亚家族成员。表达模式分析表明PtFT1和PtFT2在各个组织部位均有表达,但表达水平存在差异。季节性的变化规律显示,冬季低温可以诱导PtFT1的表达,而PtFT2的表达则被生长季的长日照和温暖温度诱导。在拟南芥中过表达PtFT1和PtFT2,都可以导致转基因植株提前开花,且花器官形态并未发生明显变化,但PtFT1的作用更强。本研究将为阐明毛白杨开花调控的分子机制奠定理论基础,同时为其他多年生木本植物花发育调控的分子机制研究提供借鉴。