海草是一类海洋沉水高等植物,具有高度的海洋环境适应性和极大的生态与渔业价值。然而,全球65%的海草呈现明显的退化趋势,探究海洋沉水高等植物与海洋环境的适应性机制对海草保护具有现实意义。作为海洋沉水高等植物的代表类群,红纤维虾海藻(Phyllospadix iwatensis Makino)和大叶藻(Zostera marina L.)分别是虾海藻属(Phyllospadix Hook.)和大叶藻属(Zostera L.)两个近缘属的代表物种,但其生境和生殖方式出现了明显的分化,而其中的分化机制和分子证据尚不清晰。为进一步理解海洋沉水高等植物的分化与适应机制,本研究在对这两物种进行生境调查和形态学研究的基础上,重点对它们不同发育阶段的花芽进行比较转录组分析,从生殖结构差异与基因表达差异的角度理解生殖隔离产生的物种分化和对海洋环境的适应机制。本研究首先对两物种的根及根状茎、叶、花等器官进行形态学观察和石蜡切片等组织结构研究,结合生境特点对比两物种的形态结构差异性。形态学研究表明两物种的形态特征差异明显并各自与海洋环境相适应。红纤维虾海藻的根状茎节间短,须根末端有膨大体并密生根毛,有利于根部固定在岩基底层:大叶藻的根状茎发达,节间长,须根末端无膨大结构,适合生长在沙基底层。红纤维虾海藻的叶鞘抱茎不闭合,在叶鞘弯折处内侧有起机械稳固作用的组织细胞群;而大叶藻的叶鞘呈管状。红纤维虾海藻雌雄异株,性别比例差异显著,雌花由雌蕊和退化雄蕊组成,雄花由单一的雄蕊组成,具有特化的小苞片;大叶藻雌雄同株,花序由雌蕊和雄蕊共同组成,无小苞片等类似结构。我们重点对大叶藻花发育早期和中期样本、红纤维虾海藻雌花和雄花样本分别进行了有参和无参转录组测序分析。每个样本各获得约5千万条clean reads,有效碱基总量28.59G。设置大叶藻花芽不同发育时期比对组和红纤维虾海藻雌雄花2个比对组,按差异倍数大于2倍、显著性小于0.05(| log2fold change |>1,P-value<0.05)的标准分别筛选出显著性差异表达基因928个和3939个。对差异表达基因进行GO和KEGG富集分析,其中大叶藻花发育中期阶段光合作用、花药发育等功能相关基因富集明显且上调表达;红纤维虾海藻雄花的花粉和花粉管发育相关基因富集明显并上调表达。基于GO富集分析结果,发现6个GO条目功能与花发育相关,筛选出的CalS5候选基因在两物种中的相似性超过96%,在大叶藻花发育中期和红纤维虾海藻雄花发育中期上调表达。qRT-PCR相对定量验证CalS5表达模式与转录组分析结果一致。进一步研究表明CalS5在模式物种的花粉及花药中表达量最高,是高等植物花粉发育中胼胝质合成酶的调控基因,被认为是花粉特异性蛋白基因,推测CalS5与红纤维虾海藻的性别分化密切相关。CalS5在植物响应环境压力胁迫中也发挥关键作用,是研究海洋沉水高等植物系统发育关系及海洋环境适应性的功能基因。本研究从形态特征和基因水平解释红纤维虾海藻和大叶藻的物种分化,CalS5基因的表达差异可能是导致这两个物种产生分化和生殖隔离的重要原因。这为后续进一步研究海洋沉水高等植物由陆地重返海洋并适应海洋环境的进化提供了分子标记,以更精细地为海草保护和生态修复提供理论支持。