天麻（Gastrodia elata）是与真菌共生的异养多年生草本植物,也是一种名贵传统中药材。天麻素和4-羟基苯甲醇是天麻的主要药效成分,具有防治老年痴呆、阿尔兹海默症、抑郁症、中风以及改善记忆等功效。由于天麻营养丰富,是目前备受青睐的保健食品。近年来,随着生态环境不断破坏和人工采挖,野生天麻资源减少或濒临灭绝。目前天麻供不应求,人工栽培天麻将成为满足市场需求的唯一有效途径。气候条件影响天麻生长发育,温度是影响天麻生长的关键因子之一,影响到栽培天麻产量、品质和分布。长时间的低温胁迫会使天麻出现黑斑,严重时会腐烂坏死。然而,关于低温对天麻生长发育影响的生理分子机制尚未见报道。本研究以不同温度下生长的天麻为研究对象,利用转录组和代谢组联合分析研究不同温度条件下天麻基因表达水平和体内代谢物成分变化,从差异代谢物中寻找关键基因差异表达情况,推断不同温度对天麻生长发育规律的影响,并对差异表达基因超氧化物歧化酶（SOD）和谷氨酰胺合成酶（GS）基因进行克隆与功能鉴定。研究结果为提高天麻的产量和品质,培育抗寒天麻新品种提供理论依据。主要获得以下结果:1、本研究以13℃母麻（NS）、23℃母麻（TB）和23℃箭麻（SS）为实验材料,进行转录组和代谢组联合分析阐明温度对天麻生长发育的调控。转录组分析共获得126787个Unigene,注释到6大数据库的Unigene数有59501个,占总Unigene数的46.93%;基于显著差异表达的阈值|log2（变化倍数）|≥1且（P<0.05）,在NS-vs-SS、NS-vs-TB和SS-vs-TB中分别有17201、17162和10322个差异表达基因（DEGs）。KEGG通路富集分析表明差异表达基因主要参与代谢途径、次生代谢产物的生物合成和RNA转运等途径。代谢组分析共检测到437个代谢物,其中NS-vs-SS、NS-vs-TB和SS-vs-TB分别获得200、204和87个含量差异代谢物,其中分别有52、51和34个代谢产物含量上调,148、153和53个代谢物含量下调。这些差异物分布于糖醇类、氨基酸、有机酸、脂质类、核苷酸、酚酸类和维生素7类物质中。代谢组数据分析表明,在低温下,天麻母麻中大多数的糖醇类代谢物、氨基酸及其衍生物含量水平下调,为箭麻生长提供的营养物质少,仅能维持自生的生命活动,不利于天麻生长;而大多数为脂质、有机酸、核苷酸及其衍生物和酚酸类代谢物含量水平上调,为防止低温胁迫脂质抗氧化和酚酸次生代谢清除ROS而增加,有机酸和核苷酸新陈代谢减缓而积累。两组学联合分析发现代谢物的含量与合成酶基因表达水平呈正相关,而与分解酶基因表达水平呈负相关。4℃母麻（FS）、NS、TB和SS的MDA、H2O2、GSH和淀粉含量常规分析结果表明随温度的降低天麻中MDA、H2O2和GSH含量增加,而淀粉含量降低。2、基于转录组数据分析,筛选出显著差异表达的超氧化物歧化酶（SOD）基因,找出CDS序列,通过RACE-PCR技术扩增出SOD基因全长序列为720bp,编码239个氨基酸残基。构建天麻SOD基因的原核表达载体,原核表达分析表明SOD为可溶性蛋白,其分子量47.4 k Da。酶活分析表明SOD为金属酶,本研究中SOD最适温度为60℃,热稳定较好,最适p H为6.0,不同金属离子对SOD酶活影响不同,且高浓度的金属离子比低浓度对SOD的酶活影响大。构建了天麻SOD基因的真核过表达载体,通过农杆菌法转入拟南芥sod突变体中,验证基因功能。通过农杆菌法转染蜜环菌,获得转SOD基因的工程蜜环菌可以抵抗低温胁迫,提高转基因蜜环菌的抗氧化活性,为进一步培育抗寒天麻提供实验基础。3、基于转录组数据分析,筛选出显著差异表达的谷氨酰胺合成酶（GS）基因,找出CDS序列,通过RACE-PCR技术扩增出GS基因全长序列为1062 bp,编码342个氨基酸残基。构建天麻GS基因的原核表达载体,原核表达分析表明GS为可溶性蛋白,其分子量约为59.94 k Da。酶活分析表明本研究中GS最适温度为50℃,热稳定性较好,最适p H为4.0。不同金属离子对GS酶活影响不同,高浓度的金属离子比低浓度对GS的酶活影响大。构建天麻GS真核过表达载体,通过农杆菌转染蜜环菌获得转GS基因工程蜜环菌,可提高工程菌抗低温胁迫作用,推测含转GS基因蜜环菌可以促进氮同化,降低低温对天麻生长中的氧化损伤,提高天麻的产量,为培育抗寒新品种天麻提供理论依据。