豆科植物是排在禾本科植物之后第二大重要的食物和饲料。黄花苜蓿是草原豆科植物的重要成员,是豆科模式植物蒺藜苜蓿的近缘物种之一,具有很强的抗旱、耐冷和耐盐能力。以黄花苜蓿为材料挖掘抗逆关键基因,对于培育抗逆豆科植物具有重要意义。本文基于高通量测序技术综合利用生物信息学和生物化学与分子生物学的方法,研究黄花苜蓿在逆境胁迫下的转录组。通过挖掘抗逆的关键基因,系统地解析了黄花苜蓿响应非生物胁迫的重要途径和调控网络。本研究在测定黄花苜蓿在高盐、干旱、低温三种非生物胁迫条件下的相对电导率的基础上,确定了对黄花苜蓿的胁迫处理条件,继而利用第二代高通量测序技术,对黄花苜蓿在胁迫条件和非胁迫条件下的转录组mRNA进行了测序。通过优化参数对原始数据进行从头拼接后获得84.4Mbp高质量的转录组mRNA序列。通过对转录组的进一步分析,构建了差异转录本的关系网络Transcript-Net,发现NAC和NIP两个转录本在整个网络中处于核心节点。本研究综合分析了黄花苜蓿转录组中显著差异表达基因的功能及其参与的信号通路,并利用qRT-PCR实验进一步分析验证相关转录本的表达模式。一方面揭示了非生物胁迫下黄花苜蓿全转录组水平的编码基因的表达变化,另一方面揭示了响应胁迫的多种功能和通路的富集。例如氧化还原功能、转录因子活性和转运功能等均参与了黄花苜蓿对胁迫的响应,类胡萝卜素代谢、糖类代谢及光合作用通路在胁迫耐受中也发挥重要作用。本研究分析了非生物胁迫对植物激素代谢信号途径的影响,以及对生物固氮场所根瘤发育的影响,挖掘得到相关信号途径中的关键基因。以期通过对以上途径中相关基因进行遗传改良,可以不仅提高豆科植物适应胁迫环境的能力,同时增加豆科植物的营养价值。本研究利用第二代高通量测序技术对黄花苜蓿在胁迫条件和非胁迫条件下的转录组miRNA进行了测序,试图挖掘得到响应非生物胁迫差异表达的miRNA及其靶标。利用qRT-PCR实验进一步分析验证相关miRNA的表达模式。通过预测miRNA的靶基因,分析不同胁迫条件下miRNA所调控靶基因的功能富集,基于网络生物学的方法构建1niRNA与靶基因的关系网络。经过负相关分析筛选得到了37个miRNA的表达模式与对应的靶基因的表达模式呈现相反趋势。对以上靶基因进一步分析挖掘得到一类编码NB-ARC结构域蛋白的转录本,这类蛋白具有抗病的功能。本文发现以NB-ARC类转录本为靶标的差异表达的miRNA数量是最多的,因此说明其在响应非生物胁迫的过程中起到了重要作用。同时,开发了一个名为FalcataBase的数据库用来储存黄花苜蓿在非生物胁迫条件下的转录组数据,可以通过网址http://bioinformatics.cau.edu.cn/falcata/:进行访问。FalcataBase基于MySQ1数据库使用PHP语言开发,友好的网页界面能够方便数据查询,旨在帮助筛选豆科物种抗逆分子标记。转运蛋白能够形成复杂的通道系统帮助细胞适应多种胁迫环境。本研究利用豆科模式物种蒺藜苜蓿完整的基因组数据,设计转运蛋白的预测方法,成功完成对两种苜蓿中编码转运蛋白基因的预测以及功能分析。同时,开发了一个名为MTDB的数据库用来存放苜蓿转运蛋白的分析数据。通过网址http://bioinformatics.cau.edu.cn/MtTransporter/可以访问MTDB数据库。本文利用黄花苜蓿非生物胁迫的转录组数据分析转运蛋白家族在非生物胁迫下的表达模式,发现ABC家族和水通道蛋白家族在胁迫耐受中起到重要的作用。对相关家族成员的基因进行克隆,利用遗传改良的方法能够进一步提高豆科植物的抗逆性。本研究挖掘得到的响应非生物胁迫的关键基因将有可能为揭示黄花苜蓿的抗逆机制和未来基于分子生物学方法研究植物的抗逆机理提供理论基础和实验依据。