野生稻为改良栽培稻重要农艺性状提供了宝贵遗传资源。长雄野生稻具有和亚洲栽培稻相同的AA基因组,其地下茎无性繁殖特性是多年生性的理想供体。同时,长雄野生稻对低温等非生物胁迫的抗性也为采用遗传工程手段培育抗逆水稻新品种提供了基因资源。本研究论文以具地下茎的长雄野生稻和拟高粱、耐冷及冷敏感水稻品种丽江新团黑谷和IR29为材料,采用基因芯片及转录组测序等技术平台,对地下茎发育及耐冷性进行系统的功能基因组学和比较转录组学分析,发掘地下茎发生发育相关功能候选基因及解析水稻耐冷胁迫调控的分子遗传机制,为进一步克隆地下茎发育及耐冷基因打下基础。具体研究结果如下：1)构建了长雄野生稻地下茎茎尖均一化cDNA文库,并随机挑选10,283个克隆进行测序分析,获得原始ESTs序列10,136条,经高质量ESTs拼接得到4,419条非重复序列。在≥80%序列一致性情况下,分别有4,285(96.97%)和4,151(93.94%)条非重复序列定位到日本晴和9311基因组上。41条非重复序列表现为特异的可变剪接形式,516条非重复序列中共检测到666个简单序列重复(SSR).地下茎茎尖中表达的178条非重复序列共定位到10个地下茎相关QTLs区间。此外,还对OLRR1在五个组织中进行实时荧光定量PCR分析,组织原位杂交进一步验证其在地下茎茎尖的顶端分生组织中高表达。2)采用异源芯片杂交策略,利用Agilent水稻寡核苷酸长探针芯片对拟高粱五个组织进行全基因组表达谱比较分析,总共检测到548个组织高水平表达基因,其中有31和114个基因在地下茎茎尖和节间中高水平表达。在地下茎茎尖特异高表达基因中发现三个顺式调控元件可能在地下茎发生发育过程中起重要作用,即ABA响应的RY重复序列CATGCA.蔗糖抑制蛋白相关元件TTATCC和GA响应元件TAACAA.对比分析前人报道的长雄野生稻和拟高粱地下茎特异表达基因,发现包括脱落酸、生长素、赤霉素和水杨酸等植物激素在地下茎发生发育中起重要调控作用。3)鉴于异源芯片表达谱分析的局限性,本研究采用新一代RNA测序技术对拟高粱地下茎和地上茎表达谱进行比较分析。结果显示拟高粱基因组中超过70%的基因在地上茎和地下茎中检测到表达,同时发现1,963和599个基因在地上茎和地下茎特异或高表达,其中分别包括122和55个转录因子,功能聚类分析表明它们在地上或地下茎组织生长发育过程中起重要作用。进一步分析发现ACGT box、GCCAC、GATC和TGACG box等顺式调控元件在地上茎特异表达基因中显著富集；而MYB和ROOTMOTIFTAPOX1顺式元件、10-promoter element TATTCT及响应细胞分裂素元件TATTAG在地下茎特异表达基因中显著富集,表明组织特异及复杂的分子调控网络参与调控地上茎和地下茎的生长发育。此外,27.9%的拟高粱基因检测到可变剪接,其中60%的可变剪接具有组织特异性,表明可变剪接可能在组织特异细胞功能决定中起重要作用。对本研究中鉴定的地下茎高水平表达基因和已报道的地下茎高水平表达基因进行比较分析,共鉴定了111个基因在至少两个不同平台中的地下茎高水平表达。这些在至少两个不同平台中尤其是在三个不同平台中都是地下茎高水平表达的基因,不仅验证了其表达水平的可靠性,还表明这些基因在拟高粱和长雄野生稻中的功能可能是保守的,为地下茎发生发育相关基因克隆奠定基础。4)采用Affymetrix水稻全基因组芯片对水稻耐冷品种丽江新团黑谷(LTH)和冷敏感品种IR29进行冷胁迫转录组比较分析。结果表明,部分胁迫反应及信号传导相关基因的组成性高表达与LTH耐冷性相关：同时LTH和IR29在连续时间冷胁迫条件下,基因表达水平呈现基本相同的早期反应和品种特异的后期反应,早期反应主要表现为转录因子和信号传导相关基因上调表达；而在冷胁迫处理后期,不同品种由于对持续冷胁迫的功能性适应而表现为不同的差异表达,包括ROS相关基因在LTH特异高表达,而在IR29中抑制表达。在冷胁迫终止后的恢复过程中,LTH冷胁迫差异表达基因大部分都迅速而有效地回复到正常水平,而IR29冷胁迫差异表达基因则恢复缓慢或不能恢复。进一步分析表明包括CBF和MYBS3调控元在内的许多调控途径参与冷胁迫反应。5)采用RNA-seq分析长雄野生稻地上茎及地下茎冷胁迫全基因组表达谱。总测序数据量25gigabases (Gb),约覆盖长野基因组58倍。约10%的转录本不能定位于已测序水稻基因组或基因区域,暗示长雄野生稻与水稻基因组序列间存在差异。冷胁迫共导致913和884个基因在地上茎和地下茎中差异表达,包括共同上调表达的33个转录因子。在两组织中发现大量冷胁迫特异可变剪接事件,且这些可变剪接基因广泛参与信号转导、生物学调控、定位和细胞组分生物合成途径,表明可变剪接在冷胁迫信号转导与基因调控网络中起重要作用。此外,在地上茎和地下茎冷处理及对照中共鉴定8,005个新转录本和3,916个融合基因。进一步对长雄野生稻、LTH和IR29冷胁迫全基因组表达谱进行比较分析,鉴定了154个三个基因型共同冷胁迫诱导上调基因,其中包括34个转录因子,功能注释揭示这些转录因子在栽培稻和野生稻冷胁迫应答中的功能是保守的。另外56个基因(占总数36.4%)的启动子区域至少含有一个CRT/DRE核心元件A/GCCGAC,表明这些COR基因在栽培稻和野生稻中共同参与冷胁迫分子调控网络。