南极苔藓寒冷胁迫下基因表达谱分析及抗逆相关功能基因研究

南极苔藓能适应南极洲极端寒冷、干旱和日照极少的环境，使其成为研究绿色植物抗逆机制的良好材料。ESTs代表着某物种或组织在某一时期所表达的全部基因信息，进行大规模EST测序，定性、定量分析其mRNA群体组成，描绘出特定的基因表达谱，将有助于加快其抗逆分子机理的研究。本课题将分别构建南极苔藓寒冷胁迫条件下和正常条件下的2个cDNA文库，进行大规模EST测序和序列分析，从基因组学的角度研究南极苔藓在上述条件下基因表达谱差异；并与近缘物种小立碗藓丰富的基因组学信息进行比较，大规模筛选南极苔藓与逆境适应相关的功能基因；研究南极苔藓耐受寒冷胁迫的分子生物学机理，对于丰富和发展植物逆境生物学的理论，发现南极苔藓功能基因在经济作物的抗逆适应中的潜在应用，都有着重要的理论意义和实际意义。

南极苔藓在漫长的进化过程中建立的生存机制与其特殊的基因结构及其表达特征密切相关。如何评估其潜在应用价值、深入揭示植物抗逆的分子机制、发掘新抗逆功能基因和培育优良农作物新品种是亟需解决的关键科学问题。但迄今为止对南极苔藓抗性功能基因的筛选和鉴定的研究尚未见报道。本研究中我们（1）率先建立了南极苔藓组织培养体系，实现了南极苔藓在实验室的快速培养、繁殖和资源的持久保存；（2）利用18S rDNA和ITS rDNA序列对长城站附近的苔藓样品进行了分子鉴定，鉴定出9株不同种属的南极苔藓，其中2株属于首次发现；（3）在国内外率先利用Illumina第二代测序技术分别对南极苔藓(Pohlia nutans)在正常条件下(16.5℃)和寒冷胁迫条件下(4℃, 6hr)的转录组进行了测序，来从基因组水平上研究南极苔藓的功能基因和这些基因在寒冷胁迫条件下的响应特征；测序产生的4GB转录组数据已经提交国际上的Short Read Archive (SRA)数据库，公开注册号为SRA051595；转录组测序共得到93487个非冗余序列(UniGene)，平均长度为405 bp，其中有16782个序列编码已知功能蛋白，其余的都是未知功能基因；转录组的基因差异表达分析表明，在寒冷胁迫条件下有3,796个转录本的表达水平显著上调，有1,405个转录本的表达水平显著下调；（4）对TIFY基因家族、HSP70基因家族、谷胱甘肽还原酶和一些未知功能基因开展了系统进化分析、亚细胞定位分析和胁迫条件下的表达水平分析。目前利用极地生物这一特殊基因资源的抗逆功能基因进行农作物的改良，国际上尚未见报道。本研究中分离和鉴定出了一系列与抗性相关的功能基因，开辟抗性基因分离的新途径，对促进我国南极海洋生物基因资源的实质性开发和利用具有重要意义。