植物生长发育过程中,开花是一个非常重要的阶段,开花的早晚,是衡量植物早熟性的一个重要指标。棉花是世界上最大的初级纤维来源,关乎国民经济和人民生活水平。棉花的花原基分化起始的早晚决定棉花的开花早晚,花原基起始的多少决定棉花终产量。棉花的花原基是由腋芽原基分化而来,腋芽原基由分化为叶原基转变为分化为花原基的过程称为花分化的诱导阶段,是成花过程的关键阶段,研究腋芽原基分化命运的转变机制对培育早熟棉具有重要的指导价值。本研究首先对棉花基因组中开花相关的基因在不同棉种中的进化关系进行了分析,表明棉花开花相关基因在进化过程中受到纯化选择,很多基因的功能被保留下来,并且主要参与光周期和生物钟节律途径的开花调控。然后,以早熟和晚熟极端材料为基础,进行棉花顶端分生组织形态解剖学和转录组分析,筛选出早熟品种和晚熟品种腋芽原基分化命运转变过程中的重要影响因子和候选基因,并获得了几个参与光信号的候选基因。借助原位杂交和实时荧光定量PCR确定候选基因的表达模式。并使用CRISPR/Cas9基因编辑技术,进一步证明了候选基因的功能。进一步使用不同红光和蓝光比例的光照处理分析光信号对腋芽原基分化命运转变的影响。最后综合细胞解剖学、细胞生物学、转录组学和基因功能验证等多方面结果解析影响腋芽原基分化命运转折的分子机制。主要结果如下:1.基因组水平棉花开花相关基因的鉴定与分析通过对棉花基因组中开花相关基因在不同棉种中的进化关系进行了分析,发现在四倍体棉种陆地棉和海岛棉基因组上开花相关基因的数目相近,是二倍体棉种亚洲棉的2倍左右。通过不同开花相关基因所参与的开花调控网络对其进行统计分类,发现大部分属于光周期和生物钟开花途径。亚基因组水平的染色体分布结果表明开花相关基因在At和Dt亚基因组染色体上的分布规律相似,没有亚基因组的偏好性。另外发现拟南芥中的大部分开花相关的核心基因在棉花基因组上都有同源基因,并且同源基因的拷贝数不同,证明棉花开花调控网络在进化过程中有很多关键基因的功能发生功能分化和重组,但是相对比较保守,重要的开花调控网络被保留下来。同源基因垂直选择压分析结果表明棉花开花相关基因在选择过程中被纯化,其中花发育和顶端分生组织反应途径的基因在进化过程中发生极端多态性变异,光周期途径比其他开花途径的选择压力变异更大。2.棉花腋芽原基分化命运转变时期的确定棉花茎尖分生组织的形态解剖学观察结果发现,早熟和晚熟棉花品种的花原基分化起始时间点不同,早熟品种主要集中在第一片和第二片真叶展平之间的过渡时期（1.5 TLS,true leaf stage）,晚熟品种主要集中在第二片和第三片真叶展平之间的过渡时期（2.5 TLS）。由此推测,早熟品种腋芽原基分化为花原基的时间早于晚熟品种一到两片真叶,对棉花腋芽原基由分化为叶原基转变为分化为花原基的分化命运转折机制的研究需要在第二片真叶展平之前就开始,不然会错过花原基分化的起始时期。这一结果对棉花促早花的田间农艺措施的实施具有指导意义,为棉花早熟机制的理解与机制解析奠定理论基础。3.光信号是影响腋芽原基分化命运的重要因素为了揭示棉花早熟和晚熟品种间的花原基分化的分子机制,本研究对棉花第1、1.5、2、2.5和3片真叶展平时期的顶端分生组织进行转录组分析。转录组分析结果显示,早熟和晚熟品种的相同发育时期之间的差异基因数量较少,但是同类品种的不同生长发育时期和第一片真叶展平时期进行比较,差异基因数量越来越多,并且在第二片真叶展平时期差异基因数量突然大量增加。该结果表明花原基开始分化的时候,开花相关基因的作用机制开始启动,影响后续的开花早晚。GO功能富集分析显示,差异基因主要富集在响应“生物钟节律信号”、“长日照条件光形态建成”、“营养生长向生殖生长转变阶段”以及“响应红光、远红光和蓝光信号”等方面。分析发现关键基因Gh GI和Gh FKF1及其共表达的基因具有昼夜节律性表达模式的变化特点,该结果表明棉花腋芽原基分化受昼夜节律的影响。Gh GI和Gh FKF1的敲除突变体表型证明了这些基因在调控花原基分化上起重要作用。4.Gh CO在顶端分生组织响应蓝光信号促进腋芽原基分化命运的转变转录因子功能分析发现,开花相关转录因子Gh RAV、Gh TALE和Gh CO的表达模式也呈现出昼夜节律性变化规律。本研究发现一个不同于拟南芥中的结果,就是原位杂交结果发现Gh RAV、Gh TALE和Gh CO在棉花茎尖分生组织的腋芽原基、花原基和叶原基等干细胞上的表达量较高;而在拟南芥中,Gh CO在叶片中转录,翻译为蛋白质后运输到茎顶端分生组织以蛋白质的形式调控茎顶端分生组织的分化命运来调控开花。又因为Gh CO在花原基起始分化时期表达量最高,表明该基因在腋芽原基分化命运转折中起促进作用。结合不同红光和蓝光比例的光照处理,证明Gh CO在茎顶端分生组织响应蓝光信号转录,促进腋芽原基分化命运的转变,促进棉花早花。另外,通过CRISPR/Cas9技术,结合该基因突变体表型,本研究提出Gh CO在花原基分化数量和时间早晚之间起平衡作用。与Gh CO共表达的蓝光受体隐花素基因Gh CRY1,在茎顶端分生组织干细胞群优势表达,结合该基因的突变体表型,表明Gh CRY1不仅会影响花原基分化的早晚,还会影响花原基分化的数量,促进生殖生长,抑制营养生长。综上所述,本研究通过基因组水平鉴定分析、形态解剖学观察、细胞生物学验证、转录组水平分析以及基因功能验证等多方面的解析,发现在进化过程中,棉花中很多关键的开花机制被保留下来,它开花的早晚和腋芽原基分化命运转变为花原基的早晚密切相关,这一转变过程受到光信号的诱导,其中Gh CO和Gh CRY1可以在棉花的茎尖分生组织的腋芽原基、花原基和叶原基等干细胞部位响应蓝光信号,促进腋芽原基分化命运的转变,促进棉花早花。