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在高原山地生态系统中,由海拔梯度引起的环境因素差异被认为是在水平梯度上环境变化的缩影,其为植物环境适应性研究提供了一个天然实验室。在后基因组时代,运用多组学研究物种的环境适应性机制,可以揭示基因表达与生命现象、代谢特征与内部调控机制的关系。花作为植物最重要的生殖器官,且在进化上作为不稳定的遗传特征,是研究物种适应性的理想组织。杜鹃属植物是高山生态系统的重要组成成分,其花瓣形态各异、花色多样,是研究花海拔适应性机制的理想材料。本研究通过对4种不同海拔梯度的杜鹃属植物花瓣进行转录组测序、比较转录组分析和适应性进化分析,揭示不同海拔杜鹃属植物花瓣在其转录水平的分子适应性。使用非靶标代谢组学研究揭示4种不同海拔杜鹃属植物花瓣的代谢水平差异机制。最后,利用多组学联合分析,从多层面、多角度揭示4种植物花瓣的海拔适应性机制。主要研究结果和结论如下:1.基于Illumina平台对4种杜鹃属植物花瓣测序组装获得的Unigene和转录本数分别在68923-87048和105932-126123之间,共筛选得到6696个单拷贝直系同源基因聚类,两两组别间显著差异基因介于1759-2816之间。比较转录组分析发现,物质和能量代谢,脂肪酸类代谢及植物激素信号转导等途径相关基因在密枝杜鹃中显著上调,这可能与其海拔适应性相关,其中与碳水化合物代谢和脂肪酸类生物合成相关的基因显著上调,这与植物花瓣吸引授粉和繁殖相关;氨基酸代谢、复制和修复及黄酮类化合物代谢等途径相关基因在乳黄杜鹃花瓣中显著上调,可能与其环境适应性有关;黄酮类化合物生物合成相关基因在乳黄杜鹃花瓣中显著上调,这与其UV-B辐射保护和花瓣颜色表型差异相关;氨基酸代谢,碳水化合物代谢及复制和修复等通路相关基因在绵毛房杜鹃花瓣中显著上调,可能与其海拔适应性有关。2.基于单拷贝直系同源基因聚类进行的分化时间估算及进化速率研究表明,杜鹃亚属和常绿杜鹃亚属的分化时间大约在8.3-41.1Mya前,乳黄杜鹃和绵毛房杜鹃的分化时间大约在2.1-21Mya前,密枝杜鹃和云上杜鹃的分化时间大约在4.2-23.7Mya前;4个物种进化速率大小关系为:乳黄杜鹃＞密枝杜鹃＞云上杜鹃＞绵毛房杜鹃。4种杜鹃属植物正选择基因数在170-297之间。密枝杜鹃MAPK途径中的MEKK1,YODA,PP2C和Sn RK2基因及与DNA修复、DNA损伤刺激相关的基因发生正选择作用,这可能与其花瓣长期生长在有较高紫外辐射,较低温度的环境有关。乳黄杜鹃的硫辛酸合成酶基因CIP1及转录因子FAR1和丙酸合成相关基因发生正选择作用,其可能与乳黄杜鹃环境适应特别是对氧化胁迫的适应性密切相关。类胡萝卜素生物合成相关的LUT5基因在绵毛房杜鹃中发生正选择作用,这可能与绵毛房杜鹃传粉及花器官保护相关。云上杜鹃中PP2C,CTR1,和EIN3基因及转录因子b ZIP发生正选择作用,可能是由于其花瓣长期应对机械损伤或植物病原菌相互作用造成的。3.非靶标代谢组学研究共有440个代谢物进入下游分析,两两组别间显著差异代谢物介于175-208之间。对主要初级/次级代谢物研究发现,氨基酸类和脂肪酸类化合物可能有助于杜鹃属植物花瓣适应高海拔环境,尤其是脯氨酸,苯丙氨酸和油酸。蔗糖在密枝杜鹃花瓣中相对含量较高,其与物种的氧化胁迫调节及促进花色苷的积累与花瓣着色相关。4种杜鹃属植物花瓣中高萜类化合物种类多于低萜类化合物,其与杜鹃属植物花瓣应对低温、紫外辐射及吸引传粉者有关。4种不同海拔梯度的杜鹃属植物花瓣中黄酮类化合物含量差异是导致花色表型差异的原因之一。转录组学和代谢组学联合分析研究表明,脂肪酸生物合成、甘油磷脂代谢与戊糖和葡萄糖醛酸相互转化这3条代谢途径与密枝杜鹃海拔适应性相关;同时,黄酮类化合物生物合成途径对于乳黄杜鹃、嘌呤代谢与抗坏血酸和醛酸代谢对于绵毛房杜鹃的海拔适应性机制具有重要作用。综上研究结果表明,碳水化合物、脂肪酸类、氨基酸类、黄酮类及萜类化合物与4种杜鹃属植物花瓣海拔适应性密切相关。高海拔物种进化速率较快。高海拔杜鹃属植物花瓣中与DNA修复、MAPK及ABA信号转导、硫辛酸和丙酸代谢相关基因发生正选择作用。4种杜鹃属植物在转录或代谢水平与蔗糖、黄酮类化合物及类胡罗卜素相关的基因表达或代谢产物的显著差异可能是导致其花瓣颜色差异的原因。研究结果不仅为探究高山杜鹃的适应性进化与环境响应等提供了科学依据,同时也为全球气候变化背景下植物种质资源的有效保护和管理等提供了理论指导。