高等植物按照光合碳同化途径类型可分为C3植物、C4植物和CAM（景天酸代谢）植物。C4植物由C3植物进化而来,比C3植物具有更高的光能、水分及氮素利用效率。典型的C4植物具有由两种光合细胞构成的花环结构,即围绕维管束的一圈维管束鞘细胞（bundle sheath,BS）和围绕维管束鞘的一圈叶肉细胞（mesophyll,M）。C4光合途径相关基因在两种细胞中特异性的定位及表达是C4植物形成CO2浓缩机制并降低光呼吸的关键,保证了C4光合途径的高效进行。为了探究C4光合途径相关基因在BS和M细胞中的转录调控机制,本研究获得了典型C4植物玉米BS和M细胞的转录组（RNA-Seq）、染色质可及性（ATAC-Seq）、组蛋白修饰（Ch IP-Seq）和全基因组DNA甲基化（WGBS-Seq）数据,确定了玉米BS和M细胞之间的基因表达差异和表观修饰差异。其次,本研究比较了玉米、高粱和谷子叶片BS和M细胞的RNA-Seq及ATAC-Seq数据,挖掘不同C4物种间保守的差异表达基因及调控元件。最后,本研究通过结合多维组学数据及比较基因组学手段,预测了可能参与C4光合途径的基因,为进一步解析C4光合相关基因的表达调控机制提供新线索。本研究的主要结果如下:1.玉米BS和M细胞间基因的差异表达受基因周围染色质状态的影响基因的整体表达水平与基因周围染色质修饰的强度相关。玉米叶片BS和M细胞间差异基因的表达水平也受到周围染色质状态的影响。多种表观修饰协同配合,严格调控玉米BS和M细胞间基因的差异表达。2.染色质可及区域能够影响玉米BS和M细胞间基因差异表达本研究发现基因近端染色质可及区域（p ACR）和远端染色质可及区域（d ACR）都能影响基因的细胞类型差异性表达,并且BS和M细胞间差异的染色质可及区域附近通常存在组蛋白修饰和DNA甲基化修饰差异。3.Dof和WRKY转录因子家族影响玉米BS和M细胞间基因差异表达AAAG和TGACY结合基序在BS和M细胞中显著差异富集,它们相应的Dof和WRKY转录因子家族成员也存在一致的细胞类型差异性表达模式。除Dof和WRKY家族外,在玉米BS和M细胞间G2-like、TCP和C2H2转录因子家族存在表达差异,TCP和ERF转录因子家族存在基序结合差异。4.C4物种BS和M细胞之间基因表达及染色质可及区域的保守性利用玉米、高粱和谷子3个C4物种的RNA-Seq和ATAC-Seq数据,我们鉴定到563个保守的差异基因和303个存在差异染色质可及区域的基因,这些基因中有60个存在重叠。C4物种间保守的基因显著富集在转录调控过程中,暗示着C4光合途径的进化可能平行选择了一些核心的调控因子。5.C4物种中保守的基因表达调控网络的构建本研究利用在玉米、高粱和谷子中具有保守表达模式和已知结合基序的36个转录因子,在BS和M细胞差异的ACR中识别结合位点,构建了基因表达调控网络。我们获得了基因表达调控网络中20个关键基因（hub genes）并预测了C4相关基因的上游转录因子。6.C4相关基因及调控序列的挖掘基于基因在BS和M细胞间的表观修饰特征及在C4物种间表达模式的保守性,我们预测了一组功能未知的基因,并将这些潜在的C4相关基因利用CRISPR/Cas9进行基因编辑。同时,我们通过实验初步证实了C4物种中保守的BS细胞特异性的ACR能够启动GUS报告基因的细胞类型特异性表达。综上所述,我们的研究结果加深了在全基因组范围内对C4基因表达调控的理解,为进一步揭示C4物种中的基因表达调控机制提供了新线索。