发状念珠藻(Nostoc flagelliforme)俗称“发菜”,是一种陆生固氮蓝藻。主要分布于我国的干旱和半干旱地区,其分布地区土壤中水分和氮源十分匮乏,但是发菜依然能在如此恶劣的环境下生长,因此发菜是一种用于研究逆境胁迫的理想材料。本研究通过对液体培养的发菜在15d低氮培养以及24h渗透胁迫处理下的超微结构观察、生理响应以及转录组表达情况进行研究,阐述发菜在恶劣环境下的生存及抗逆机制。获得如下结果:1)液体培养发菜经15d低氮培养以及24h 15%聚乙二醇(PEG)渗透胁迫处理后,在电镜下发菜的藻体、繁殖细胞和营养细胞的亚细胞结构未发现明显的变化。2)低氮培养可能会抑制发菜的光合作用,破坏细胞膜的完整性,打破发菜体内氧化还原平衡,并启动发菜的超氧化物酶的抗氧化能力。对15天低氮培养后的藻体进行一系列生理特征的测定和分析,发现发菜细胞含水量无明显变化;叶绿素a含量、海藻糖含量和游离脯氨酸含量均显著低于对照组;质膜离子渗透率、细胞活力、丙二醛含量和SOD活性均显著高于对照组。渗透胁迫会造成发菜细胞失水,还可能会抑制发菜的光合作用,破坏细胞膜的完整性和蛋白质结构,打破发菜体内氧化还原平衡,并启动发菜的超氧化物酶的抗氧化能力。对15%PEG渗透胁迫处理24h后的藻体进行分析,发现发菜细胞含水量和叶绿素a含量均显著低于对照组;质膜离子渗透率、细胞活力、海藻糖含量、游离脯氨酸含量、丙二醛含量和SOD活性均显著高于对照组。3)本研究获得了较高质量的测序数据和组装结果,并构建了发菜基因组扫描图。经Illumina Hiseq 2000对发菜的全基因组扫描测序,得到6749万条测序读长(Raw Reads),碱基错误率低于1%(Q20)的数据为95.1%。经过de novo组装,得到发菜基因组大小8,756,642 bp,GC含量41.5%,检测到的基因数目为9131个,平均读长965 bp。与同属其它两种已测序的藻种:Nostoc Anabaena sp.PCC 7120和Nostoc punctiforme ATCC 29133相比,发菜基因数目明显高于其它两种,而基因组大小和GC含量则无明显差异。4)经Illumina Hiseq 2000对发菜的转录组学进行分析。发现在15d低氮培养后,很多参与氮代谢的基因表达量显著上调,但是很多参与调控光合作用的基因表达量则显著下调。得到1570万条测序读长(Clean Reads),碱基错误率低于1%(Q20)的数据为99.17%,GC含量43.67%,与发菜基因组匹配率为76.57%。与对照组相比,在348个差异表达基因中有151基因表达量显著上调,197个基因表达量显著下调。说明液体培养发菜在低氮培养下光合作用虽然可能被抑制,但是可以通过固氮作用将空气中的氮固定,并通过提高自身氮代谢途径来完成体内重要的氨基酸和蛋白质的合成。对15%PEG渗透胁迫处理24h后的藻体进行转录组测序,得到1447万条测序读长(Clean Reads),碱基错误率低于1%(Q20)的数据为99.11%,GC含量44.13%,与发菜基因组匹配率为84.75%。在289个差异表达基因中有88基因表达量显著上调,201个基因表达量显著下调。在渗透胁迫下,很多参与氮代谢、RNA降解和硫代谢途径的基因表达量均显著上调,而参与淀粉和蔗糖代谢、半乳糖代谢以及脂肪酸代谢的很多基因表达量则显著下调。发菜可能通过提高自身氮代谢途径来完成体内重要的氨基酸和蛋白质的合成。发菜的淀粉和蔗糖代谢、半乳糖代谢以及脂肪酸代谢可能被抑制,但是RNA降解及硫代谢的提升可以帮助发菜在一定程度上抵御渗透胁迫带来的损害。总之,低氮培养和短期的渗透胁迫对发菜的细胞结构并未造成明显变化,发菜自身独特的生理响应对于逆境胁迫的适应有着重要作用,并且氮代谢途径的加强可能是发菜以其独特的方式适应低氮及干旱环境的重要保障。发菜的生理特征及分子调控机制对于改善荒漠环境有着重要的价值和意义。我们的研究对于发菜的人工扩大培养并深入研究其在逆境下的分子调控机制提供了基础。