发状念珠藻（Nostoc flagelliforme）,俗称发菜,是一种陆生固氮蓝藻,在我国主要分布于干旱和半干旱的荒漠地区。发菜对非生物胁迫具有极强的抵抗力,如干旱、低温、高温、强紫外辐射等胁迫。发菜抗逆基因的发掘和作用机制的研究不仅有助于认识发菜适应环境逆境的机制,还将获得抗逆基因为转基因作物利用。本课题组前期进行了发菜抗逆候选基因的筛选和初步鉴定工作,本课题就其中一个抗逆候选基因（Nfl:COO91₀4051,NCBI）进行了功能鉴定和作用机制的研究。COO91₀4051基因在干旱、紫外和冷胁迫下均上调表达,但之前未有任何功能线索报道。低温处理实验结果显示:COO91₀4051能显著增强转基因鱼腥藻PCC 7120对低温的耐受性,并且转基因藻株的藻胆素含量和类胡萝卜素含量均显著高于空载体对照藻株,前者的不饱和脂肪酸总含量也显著高于后者,但两者丙二醛（Malondialdehyde,MDA）含量在低温胁迫下没有显著差异。上述结果表明,COO91₀4051可能通过增加保护性色素和不饱和脂肪酸的含量来增强鱼腥藻PCC 7120对低温胁迫的抵抗力。我们进一步开展了低温胁迫下的转录组测序,对差异表达的基因做了初步的功能分类,包括光合作用相关、呼吸作用相关、氧化还原相关、糖、脂质、蛋白质、维生素、次级代谢产物的合成与代谢相关等,发现超表达藻株呼吸作用的部分基因发生下调表达,核糖体亚基编码基因也下调表达,而光合作用的捕光蛋白基因上调表达,糖基转移酶基因也上调表达。转录组数据说明,低温处理条件下转基因藻株可能通过增强光合作用、降低呼吸作用和蛋白合成的能量消耗抵来御低温胁迫,同时多糖的合成增加也对细胞具有保护作用。此外,我们也进行了其它相关的胁迫实验。甘露醇（Mannitol,Man）渗透胁迫和甲基紫精（Methyl viologen,MV）氧化胁迫处理结果显示:COO91₀4051基因不同程度地增强了转基因鱼腥藻PCC 7120对上述胁迫的耐受能力;但高温和紫外处理结果显示:转基因鱼腥藻PCC 7120对高温和紫外辐射的耐受能力没有明显的提高。最后,我们还发现培养基加氮与否也影响转基因藻株的胁迫适应能力。缺氮培养基BG110培养的结果显示:COO91₀4051能促使转基因鱼腥藻PCC 7120在缺氮环境生长速度较对照的更快;尽管转基因和对照藻株在缺氮24小时后都能完成异形胞的分化且异形胞频率没有明显差异,但定量分析结果显示超表达藻株中异形胞分化和固氮作用相关基因的表达水平均显著高于对照藻株,这意味着超表达藻株中固氮相关的细胞分化更加迅速。总之,我们通过转基因手段发现发菜基因COO91₀4051具有多方面的抗逆功能,且对冷胁迫的抗逆表型最为突出。