近年来,由于全球气候变化带来的极端气候的影响,旱灾(干旱胁迫)、土地盐碱化(盐胁迫)和洪涝水灾(水淹胁迫)等不利于植物生长的因素越来越多,这些非生物胁迫严重影响植物的生长发育和农作物的产量。因此,研究植物对干旱、盐及水淹多种非生物胁迫下的响应有利于了解植物的胁迫耐受性机制。海马齿(Sesuvium portulacastrum(L.)L.)的耐旱、耐盐及耐水淹等多种生态适应性使其具备较高的研究价值,但是目前关于海马齿的研究主要集中在耐盐的生理和蛋白组水平,对其耐旱的研究较少且主要集中在生理水平上,而其耐水淹方面更是鲜有研究。为探究海马齿如何在时间维度上响应干旱胁迫、盐胁迫及水淹胁迫,以及其如何共同调节耐旱、耐盐及耐水淹的分子机制,我们利用高通量测序技术和比较转录组学数据分析方法,对海马齿在不同胁迫环境下的转录组变化情况进行分析,以探索其耐受性的机制,得到主要结论和观点如下:(1)通过对11个组别的样本进行测序和过滤低质量数据,得到723,042,468条clean reads的高质量数据(188.15 GB),进而将其De novo组装得到104,402个Unigenes,并对其进行基因功能预测,得到注释信息覆盖较为全面的海马齿参考转录组。(2)构建海马齿对干旱胁迫在不同处理时间维度上的响应模型,表明海马齿在干旱胁迫前3 h主要上调离子膜转运通道、电压门控离子通道、谷氨酸盐家族、脯氨酸、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)等进行抗旱响应;在干旱胁迫3 h至6 h期间,主要下调淀粉合成以促进葡萄糖单糖类在细胞中的积累,对干旱胁迫下的渗透失衡进行调节;在干旱胁迫6h至12h期间,上调苯丙素类和黄酮类的合成,同时抑制种子萌发以减少对能量的消耗、也降低对水分的需求。(3)构建海马齿对盐胁迫在不同处理时间维度上的响应模型,表明海马齿在盐胁迫前3 h主要通过上调大量与离子转运相关的生物学事件,调节其他离子内流(此阶段主要表现为K+内流),同时降低电子转移链的活动和增加GPX活性以缓解渗透失衡、离子毒害和氧化伤害;在盐胁迫3 h至6h之间,依赖于氢离子跨膜转运调节离子平衡的作用加强,开始调动机体内能量储备相关过程以及进行形态学相关构建,以准备应对较长时间的盐胁迫环境;在盐胁迫6 h至12 h期间,抗性物质苯丙素类和黄酮类上调,细胞壁合成上调,有助于维持细胞基本形态和保护细胞内部结构。(4)构建海马齿对水淹胁迫在不同处理时间维度上的响应模型,表明海马齿在水淹胁迫前3 h主要进行能量储备相关生物学进程,同时构建细胞壁等形态学保护结构,上调抗氧化酶(antioxidant)和过氧化氢酶(peroxidase)活性等进行抗水淹响应;在水淹3h至6h期间糖类的合成上调提供能量来源;在水淹12h后,海马齿开始检测出缺氧胁迫并发生响应,加强无氧呼吸作用是海马齿响应长时间水淹胁迫的重要策略之一,苯丙素类和黄酮类合成上调,抗坏血酸结合能力上调,这些物质的增加有助于活性氧物质的清除,从而降低海马齿受到氧化胁迫的伤害。(5)分析比较海马齿在干旱、盐及水淹胁迫下必然发生差异表达的基因数目,表明海马齿对该三种胁迫的耐受性能力依次为耐旱>耐盐>耐水淹,且干旱胁迫和盐胁迫两者具有较多的共同调控基因,而水淹胁迫与其它两种胁迫的共同调控基因均较少,说明海马齿在响应干旱胁迫和盐胁迫上存在较多的共同调控机制,而响应水淹胁迫的机制与响应干旱胁迫和盐胁迫的机制颇为不同。(6)筛选出在干旱胁迫和盐胁迫下共同响应的基因,对部分基因(PYR/PYL、ETR、V-type H+-ATPase、AUX/IAA和PRODH)进行分析论述表明海马齿可能通过以下策略共同响应干旱和盐胁迫:(i)促进感应ABA水平,调节保卫细胞孔径进而降低水分损耗。(ii)影响乙烯的信号传导,从而增加叶片面积维持光合作用,保持植株生长的同时延缓成熟和衰老,以此抵御外界不良的胁迫环境。(iii)提高液泡膜上V-ATPase的活性造成液泡内外的H+电势差,从而驱动次级主动转运系统和逆转运蛋白,缓解细胞渗透失衡以及Na+毒害作用。(iv)下调脯氨酸降解酶基因促进脯氨酸在海马齿植株内产生积累,从而响应干旱胁迫及盐胁迫下的渗透失衡和氧化胁迫等伤害。(7)探究植物激素信号传导与海马齿多重胁迫适应性的关系,结果表明不同植物激素信号传导途径的变化在不同胁迫下有所不同。干旱胁迫下主要表现为上调生长素和脱落酸信号传导,下调油菜素内酯、细胞分裂素和乙烯等的信号传导;盐胁迫下主要表现下调生长素、油菜素内酯和乙烯等的信号传导;水淹胁迫下主要表现为上调油菜素内酯、赤霉素和脱落酸等的信号传导,下调乙烯信号传导。这些激素信号传导通路共同构成海马齿抵御干旱胁迫、盐胁迫和水淹胁迫的机制和策略。综上,在本课题的分析中,已经初步了解了海马齿对干旱胁迫、盐胁迫及水淹胁迫在时间维度上的响应机制,也探究了海马齿共同调控干旱和盐胁迫,以及共同调控干旱、盐和水淹胁迫的响应机制。如能将本研究的理论结果应用到农作物的实际生产培育上,一方面将有利于提高对边缘土地(如沙漠荒地、盐碱沼泽地和滨海湿地等)的利用率,另一方面也可以帮助解决因人口增多而对农作物产量需求日益增加的问题。