玉米是一种喜温作物,对温度要求较高。然而,受地理环境因素影响,早春低温冷害成为我国东北地区主要的自然灾害之一。萌发期和芽期是玉米生长发育的关键时期,此时若遇低温,会降低萌发率与出苗率,进而造成玉米减产22.5%～34.3%,对玉米稳产造成威胁。因此,加强玉米萌发期和芽期耐冷相关研究,尤其阐明玉米对低温胁迫的抗性机制是耐冷育种和栽培技术改良的理论基础,具有十分重要的意义。转录组学研究可以从整体水平上反映细胞中基因表达情况及其调控规律,因此基于数字基因表达谱分析的玉米耐冷性研究对发掘耐冷基因、了解耐冷基因的作用方式有重要意义。本研究在前期芽期耐冷鉴定的基础上,深入开展了 95份玉米自交系萌发期耐冷鉴定,筛选到在两个时期均耐冷和冷敏感的2个自交系,以其为研究材料,分别在萌发期(10℃)和芽期(2℃)进行低温处理,在0h、6h、12h、24h、36h取萌发期种胚和发芽期幼芽样品,采用数字基因表达谱的方法探究其基因差异变化,实验结果如下:(1)以95份玉米自交系为试材,测定10℃低温下种子的发芽率、发芽指数、平均发芽时间以及相对值等6个性状,进一步整合主成分分析、聚类分析等统计方法,对自交系萌发期耐冷性进行鉴评,筛选耐冷种质。结果表明,主成分分析将6个单项指标综合为2个独立的综合指标,系统聚类将自交系划分为5类,耐冷性强、较强、中等、较弱、弱的材料分别为11、25、26、15、18份。再结合所在研究团队的芽期鉴定结果,最终确立:中系091/O2、昌7-2分别在两个时期耐冷性较强、较弱,这两个材料耐冷性差异明显被用于后续表达谱测序研究。(2)转录组测序研究表明,以0h为对照,在10℃低温处理6h、12h、24h、36 h时,萌发期耐冷材料(MA)中分别有286、2920、4008、7170个差异表达基因,萌发期冷敏感材料(MB)中分别有112、701、2485、4003个差异表达基因。以0h为对照,在2℃低温处理6h、12h、24h、36h时,芽期耐冷材料(YA)中分别有505、1240、3370、5180个差异表达基因,芽期冷敏感材料(YB)中分别有876、2396、3846、3681个差异表达基因。(3)GO富集分析的结果表明,在6 h、12 h、24 h、36 h四个时间点,MA、MB、YA、YB 分别有 1 1859、5937、8078、8244 个 DEGs,均注释到 52 种功能,共同显著富集的GO terms有低温响应、转录调控、脱落酸激活信号通路等生物学过程,膜组分、泛素连接酶复合物等细胞组分,结合功能、催化活性、转运蛋白活性等分子功能。(4)pathway富集分析的结果表明,两个材料在两个时期多数处理样品中被显著富集且位于第一位的是植物激素信号转导通路;对耐冷相关的生长素和ABA两个显著性富集通路进行具体分析,发现耐冷材料中表达的差异基因比冷敏感材料中多,而且表达倍数高,编码ARF、PYR/PYL等基因只在耐冷材料中表达。(5)采用动态剪切算法对MA、MB、YA、YB基因进行WGCNA分析,分别筛选到2、2、2、3个组织特异性模块,并在每个模块中选择了 5个与模块关系紧密的关键基因,这些基因可能在低温响应过程中发挥作用。(6)本研究筛选了 25个耐冷相关的基因,包括低温响应(GO:0009409)GOterm中8个差异表达显著的DEGs,Pathway富集通路中12个在耐冷材料中特异表达的DEGs,5个与WGCNA密切关联的DEGs,从中选择了Zm00001d002533、Zm00001d003601、Zm00001d010863、Zm00001d022125、Zm00001d028401、Zm00001d030310、Zm00001d034099、Zm00001d039718、Zm00001d045557、Zm00001d047705 等 10 个基因进行了 qRT-PCR 验证,结果表明 Zm00001d003601、Zm00001d034099、Zm00001d028401等基因在耐冷材料中表达量高,且在不同时间点变化明显,在冷敏感材料中表达量较低且各时间点间无明显差异,这些基因可能在低温胁迫过程中发挥重要作用。