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玉米(Zea may L.)是我国的主要农作物,高产且营养价值高,多用于食品、饲料、燃料等行业。玉米起源于热带、亚热带地区,是喜温植物,低温一直是限制其生长分布的重要因素。东北地区作为我国玉米的主产区,低温冷害已成为限制该地区玉米生产的主要因素之一。苗期是玉米生长发育的关键时期,此阶段的玉米对低温十分敏感,若玉米在苗期遭遇低温胁迫,将会严重影响玉米生长,甚至导致玉米减产或绝收。因此,针对玉米苗期挖掘优异抗性材料和深入研究耐冷相关基因的功能尤为重要。基于此,本研究分为四个方面:1.对205份血缘丰富的玉米材料进行苗期耐冷性评价,以4°C处理5 d为低温胁迫条件,对供试材料进行生理和形态鉴定,并通过因子分析进行综合评价,结果表明:所有材料被划分为5个类群,其中玉米材料By813表现为极端耐冷,玉米材料CML454表现为极端冷敏感。2.对耐冷玉米By813和冷敏感玉米CML454在低温处理前后的表型及细胞结构进行进一步鉴定,结果表明:两个极端材料在冷处理后表型和细胞结构差异明显,并对低温胁迫前后By813和CML454做转录组分析,对差异表达基因(DEGs)进行KEGG分析,结果表明:类黄酮生物合成通路和植物激素信号转导通路是与植物低温胁迫最为相关的通路。3.G蛋白信号转导是植物对信号感知和传递的重要组成部分,目前针对玉米G蛋白偶联受体(GPCRs)相关蛋白,即GTGs(GPCR类G蛋白)或COLD1(Chilling Tolerance Divergence 1)蛋白在应对低温胁迫时的作用尚未报道。本研究获得三个新型COLD1基因,即ZmCOLD1-10A、ZmCOLD1-10B、ZmCOLD1-10C,并对其进行功能研究,具体结果如下:(1)三个ZmCOLD1-10蛋白均含有GTG/COLD1蛋白的基本特征,且进化保守。(2)ZmCOLD1-10A在玉米根、茎、叶中均表达,且受冷诱导和光信号抑制。拟南芥cold1突变体相比于野生型拟南芥植株体现为冷敏感,ZmCOLD1-10A-OE拟南芥植株相比于野生型拟南芥植株有较强的耐冷性,说明ZmCOLD1-10A对可增强拟南芥耐冷性。ZmCOLD1-10A启动子的H-box、MYB、ABA和DRE core相关元件为该启动子的重要元件。(3)ZmCOLD1-10A蛋白为膜蛋白,位于细胞膜和内质网膜上。通过BiFC技术证明ZmCOLD1-10A与ZmCT2存在互作,且互作的核心位置为ZmCOLD1-10A的HL保守结构域与ZmCT2的C端区域。4.针对禾本科植物的主要耐冷相关基因或蛋白的结构、功能与进化进行总结分析,结果表明:COLD1蛋白结构及作用机理保守;ICE与CBF转录因子结构保守,但COR蛋白不保守;IRI蛋白在麦类作物中高度保守,而在全禾本科作物中并不保守。综上,COLD1蛋白是利用基因工程手段定向改善禾本科作物耐冷性的最优靶向蛋白。综上,此研究为挖掘优异抗性材料和抗性基因,及改良玉米耐冷性提供了理论依据和重要参考。