棉花起源于热带和亚热带地区。在棉花驯化和选择的过程中,种植地区逐渐向高纬度地区转移,但依然保留着喜温的特性。新疆是我国棉花主产区,独特的地理位置易发“倒春寒”现象,使棉花在播种期易遭受低温冷害的胁迫。目前棉花的耐低温机制研究主要停留在耐冷性鉴定、理化指标测定以及开展已知低温响应相关的同源基因家族分析的阶段。对于低温耐受性差异不同的棉花材料之间的系统性分子机制研究相对较少,棉花苗期耐低温育种目标方面提供的分子理论有限。本研究通过耐冷性鉴定,筛选到耐冷材料军棉1号和冷敏感材料C1470。通过对两个陆地棉材料以及陆地棉遗传标准系TM-1进行光合效率、抗氧化酶活等理化指标测定、细胞亚显微结构观察等分析,比较低温胁迫对耐冷性等级不同陆地棉的影响。在陆地棉苗期低温胁迫转录组数据基础上,通过WGCNA分析初步构建了陆地棉苗期响应低温的分子调控网络,筛选获得耐低温候选功能基因基因集。进一步通过对陆地棉苗期低温胁迫转录组和代谢组进行联合分析,初步揭示军棉1号和C1470耐冷性差异的遗传基础。本研究主要结果如下:1、陆地棉低温耐受性差异材料筛选。在种子萌发阶段,对12个陆地棉栽培种进行了耐冷性鉴定,综合指标显示军棉1号、TM-1和泗棉3号耐冷性强,C1470和KK1543为冷敏感。子叶期耐冷性鉴定结果表明中棉所16、军棉1号、TM-1和新陆早42号具有强耐冷性,C1470表现为冷敏感。苗期耐冷性鉴定表明军棉1号是耐冷材料,C1470为冷敏感材料。军棉1号和C1470在萌发期和子叶期以及苗期的耐冷性表型有显著差异。2、陆地棉苗期低温耐受性差异的理化与细胞学基础。耐冷性材料相对于冷敏感材料会更迅速地清除体内有毒物质丙二醛,提高自身过氧化氢酶活性,增加脯氨酸含量,降低自身超氧化物歧化酶活性,提高光下叶片的实际光能转化效率,降低光保护能力。同时低温胁迫会导致叶肉细胞发生质壁分离,叶绿体结构破坏,受损细胞数目增多。3、陆地棉具有保守的低温胁迫分子响应系统,低温耐性不同可能是由于每一种棉花自身特有的遗传背景导致的。通过比较三个棉花材料低温胁迫处理前后的差异基因,发现共有差异基因主要富集在植物激素信号转导、植物MAPK信号途径、光合作用、脂肪酸链伸长、脂质代谢等代谢通路;耐冷材料军棉1号特异表达的差异基因主要富集在蛋白激酶、α-亚麻酸代谢、过氧物酶体、多种氨基酸的降解和代谢等;冷敏性材料的低温处理特异表达的差异基因主要富集在核糖体合成、线粒体生物合成、植物昼夜节律等代谢通路;TM-1则富集在类黄酮生物合成、植物-病原互作、GTP结合类蛋白等。4、鉴定到一个与陆地棉遗传背景相关的模块Brown与低温耐冷性成正相关。通过WGCNA的方法对基因进行无尺度表达网络构建,获得了一个既与低温耐性相关的又与棉花的遗传背景相关的模块Brown。利用cytoscape对模块进行可视化,发现Brown模块中的主要有三个表达网络,分别是与光合作用调控相关的lnc RNA表达网络,与温度变化响应相关的基因网络,和一个含有6个已知与低温胁迫相关基因的表达网络。这三个网络里的候选lnc RNA和基因可以作为进一步研究陆地棉低温响应分子网络的资源。5、陆地棉苗期耐冷基础代谢物差异与功能基因转录调控相关。本研究在三种陆地棉材料中共鉴定到499种代谢物。21个共有差异代谢物,KEGG富集到与茉莉酸合成相关的α-亚麻酸代谢通路上。以鉴定到的所有差异代谢物含量为表型进行WGCNA分析,与WGCNA的已知功能模块建立关联,结果表明十八碳烯酸、羟基亚油酸、苯丙氨酸、脯氨酸、别异亮氨酸以及甲基巯嘌呤这6个代谢物可能影响陆地棉的耐低温能力。6、茉莉酸合成途径以及信号传导途径与陆地棉低温耐受性相关。α-亚麻酸代谢通路是军棉1号低温处理差异基因的功能富集途径之一,也是共有差异代谢物的代谢通路。三个陆地棉材料中茉莉酸含量在低温处理前后均有不同程度的增加,茉莉酸合成关键酶脂氧合酶LOX和烯化氧环化酶AOC4在军棉1号的表达显著上升。低温胁迫会特异性诱导了军棉1号中茉莉酸受体蛋白COI1的表达,从而抑制了JAZ4的表达。推测军棉1号可能通过高效地传递茉莉酸信号来响应低温胁迫。本研究根据陆地棉苗期低温胁迫耐受性,筛选获得了苗期耐低温性差异的陆地棉栽培种材料,进一步通过细胞学、转录组和代谢组学的多组学关联分析,发现军棉1号苗期耐低温的特性与茉莉酸代谢的显著提升以及茉莉酸信号传递系统的活跃显著相关。茉莉酸代谢和信号传导可以作为陆地棉苗期耐低温性遗传改良的一条有效应用途径。