新麦草属是一个仅含不到十个物种的小属,隶属于禾本科,小麦族,分布于整个中亚地区。华山新麦草是该属内的一种多年生异花授粉的草本植物。作为中国特有种,华山新麦草与该属的其他物种不同,仅分布于中国中部陕西省的“华山”山脉中,生长在海拔范围350米到2100米的狭窄区域。华山新麦草具有早熟、抗生物和非生物胁迫性等特点,被认为是重要的种质资源,并应用于小麦和牧草的改良。在严酷的生境中,它是一种优势种,零散分布,且种群规模小。目前,华山新麦草已被列为“国家一级珍稀保护植物”和“急需保护的农作物野生近缘种”。是近年来不断受到人们保护的一个例子。以往的研究表明,有三个关键因素(抗旱和耐盐能力、生境、或种群的发展过程)可能是华山新麦草受到危害的原因,但非生物因素的影响似乎最为严重。然而,由于基因组信息有限,且缺乏转录组和关键的遗传标记,华山新麦草的适应性进化和物种形成的研究面临许多困难。本研究进行了高通量的比较转录组测序,并且获得了大量的转录组序列用于研究其功能特征和EST-SSR标记的开发。另外,本研究开发了华山新麦草的基因组资源,并揭示华山新麦草为何以及如何适应寒冷、盐碱以及干旱为特征的恶劣环境,并利用ESTSSR标记对12个居群的149个个体的群体遗传结构进行了探索。最终,经Ilumina双端测序,从大约9,900万个Reads中得到了118,173个unigene。差异表达基因在海拔梯度上的表达揭示了11个与耐寒、耐盐、耐旱相关的候选基因。同时,KEGG和GO注释推测这些候选基因可能与环境适应性有关。华山新麦草似乎对盐胁迫更加敏感。在118,173个unigene中,共检测到13,261个EST-SSR位点,其中三核苷酸的EST-SSR最多。通过设计EST-SSR引物,随机选取110对引物用于进一步验证。其中,11对为多态性引物,可用于后续分析遗传多样性和群体遗传结构。群体遗传学的研究结果表明:11个引物共发现了88个等位基因,而每个引物的等位基因数为2到11个。12个自然居群的遗传多样性较高(Ho=0.537±0.102,He=0.547±0.069,PPL=91.37%)。沿着海拔梯度来看,主成分分析和贝叶斯群体遗传结构分析均显示来自12个居群的个体具有混合现象,其中高海拔地区的2个居群与其它居群分化较大。采集到的大部分居群在其物种进化历史上均经历过瓶颈效应的影响。遗传多样性高的物种比较容易适应环境的变化。而受到瓶颈效应作用的居群可能抑制了其遗传分化。有人认为,在某种程度上可能会发生栖息地片段化的负面结果。然而,先前对华山新麦草的研究显示,随着海拔的升高,其遗传多样性逐渐降低,这符合该物种在当前研究中发现的遗传瓶颈的假设。此外,本研究还发现了一些高海拔居群的上调/高表达基因,以及低海拔的下调/非表达基因。这种沿海拔梯度的基因组差异可能是由与海拔相关的基因功能引起的。沿海拔梯度的关键胁迫响应基因的鉴定以及高海拔居群的低水平的遗传分化可以阐明华山新麦草的发生和遗传分化水平。本研究为在恶劣条件下的寒冷、盐碱和干旱耐受的相关基因提供了重要的见解。在保护价值方面,有必要通过原地保护来保护这种重要的野生遗传资源,从而维持其高水平的遗传多样性。本研究获得的分子遗传学资源将有助于进一步进行新麦草属物种的功能基因组学和群体遗传学研究。沿海拔梯度的低水平的遗传分化表明,这种濒危物种可能处于遗传分化的早期阶段,未来可能会发展成为独特的生态型。结合比较转录组,我们的研究解释了华山新麦草在华山不同海拔的适应性。适应性分化可能增加了沿着海拔梯度的居群的遗传变异。与寒冷,盐碱和干旱相关的候选基因以及该物种的遗传分化模式可为其野生近缘种的繁殖和物种保护提供重要的遗传资源。