小麦族是禾本科植物中最重要的粮食作物来源之一,包括小麦、大麦和黑麦等麦类作物,全球年产量高达9亿吨,占全部谷物产量的30%。海大麦（Hordeum marinum Huds.,2n=2x=14,Xa Xa）是大、小麦的野生近缘种,具有超强的耐盐性、耐渍性以及其它优良特异性状,且与普通小麦有一定的可交配性,可为小麦等作物的耐盐性、耐渍性等抗逆性遗传改良提供独特的基因资源。目前,由于缺乏基因组信息和有效的遗传转化体系,有关海大麦进化、比较基因组学和特异性状遗传控制的分子机理以及作物育种利用等研究进展缓慢。鉴此,本论文开展了海大麦参考基因组组装和比较基因组学研究,并以促进海大麦特异基因发掘、功能解析与育种应用为目标,构建高效的海大麦遗传转化体系和基因编辑系统。取得的主要研究结果如下:1.海大麦参考基因组组装及特征分析以海大麦H559为材料,采用Illumina PE、Pac Bio SMRT、10×Genomics和Hi-C等四种技术相结合的策略进行基因组测序和从头拼装,获得的结果为:H559基因组组装大小为3.82 Gb,占K-mer分析预估基因组大小的95.5%,contig N50值为6.83 Mb,scaffold N50值为524.47 Mb,96.8%（3.69 Gb）的序列被定位到7条染色体上。H559基因组组装的BUSCO完整性指数为98.4%,LTR组装指数LAI为12.7,属于参考基因组级别。在全基因组序列中预测到41,405个高置信度基因,88.4%的基因可在NR等蛋白数据库中得到注释;预测的重复序列长度为3,137 Mb,占比82.2%;注释得到19,941个mi RNA、1,335个t RNA、2,497个r RNA和921个sn RNA。2.海大麦与其他禾本科植物的比较基因组学分析选取水稻、高粱、玉米、狗尾草、二穗短柄草、大麦、小麦和海大麦等8个禾本科物种进行比较基因组学分析。研究发现,海大麦与大麦和小麦的物种分歧时间分别在6.3-8.3百万年前（Mya）和8.7-11.1 Mya,且海大麦在近期（约0.1Mya）发生了一次LTR逆转座子的大规模插入事件。海大麦每个基因的外显子数量和基因长度均低于大麦和小麦。海大麦基因组特异的基因家族为941个,主要与“细胞代谢相关功能”和“氧化还原反应”等相关。海大麦中254个扩张的基因家族主要富集在“膜组分”、“氧化还原酶活性”、“光合作用”、“氢离子跨膜转运活性”和“脯氨酸生物合成”等过程,而111个收缩的基因家族主要与“阴离子结合”、“细胞代谢过程”、“ATP结合”和“磷酸化”等过程相关。海大麦7条染色体与大麦和小麦的共线性良好。除0.7 Gb Gypsy逆转座子外,基因组的其它组分含量海大麦和大麦之间无明显差异。3.海大麦遗传转化和基因编辑体系的构建供试材料为海大麦marinum亚种材料H508、H559和H560,以幼胚为外植体,经愈伤诱导、增殖和分化获得再生植株。以上三个海大麦材料中,幼胚的出愈率和绿点再生率均以H559表现最佳,因此用作遗传转化体系的幼胚供体。将目标基因的特异靶位点克隆至p UB-Cas9-Ta U6-sg RNA载体,导入农杆菌AGL1侵染海大麦愈伤组织,参考常用的二穗短柄草和大麦的遗传转化体系,通过调整幼胚大小、培养基成分、愈伤诱导方式、潮霉素筛选压和以及激素种类及比例等,获得了适用海大麦的转化体系。该体系遗传转化效率为28.7%,其中出愈率为34.8%,绿点再生率为100%,T-DNA插入频率为82.6%。PCR/RE法和Sanger测序显示,两次独立试验的转基因幼苗的靶点突变效率均为100%。4.海大麦、大麦和小麦的主要形态学性状和耐盐性差异及其分子机制以海大麦H559、大麦Morex和小麦中国春（Chinese Spring）为材料,结合基因组序列信息和转录组数据解析三个物种主要形态学性状和耐盐性差异的分子机制。与栽培大麦和小麦相比,海大麦具有植株矮小、分蘖多、落粒性强以及籽粒小等形态特征。与中国春和Morex相比,H559的株高调控基因BRI1、SLN1、落粒性调控基因sh-h、q SH1、SH5和粒重调控基因GW5、TGW6的氨基酸序列变异较大,分蘖调控基因MOC1和IPA1的表达水平较高;在150和300 m M Na Cl处理下,H559根部对Na+的吸收以及向地上部的转运较少,而对K+吸收较多。盐胁迫下H559特异上调的差异表达基因主要参与“离子跨膜转运”和“UDP-糖基转移酶活性”等过程,而特异下调的差异表达基因主要参与“蛋白质修饰”、“离子结合”和“碳水化合物代谢”等过程。盐胁迫下Na+转运体HKT1;5在根中的表达量H559显著下调,Morex显著上调,中国春无明显变化;SOS1在H559中上调表达,而在Morex和中国春中无明显变化。海大麦sos1突变体对盐胁迫表现敏感,其根部对Na+的吸收量显著高于野生型。盐胁迫下海大麦根部通过调节离子转运蛋白如SOS1和HKT1;5的表达,维持植株体内Na+/K+的稳态,同时通过大量吸收K+作为“廉价”的渗透调节剂,从而缓解盐胁迫诱发的渗透胁迫。此外,H559通过降低碳水化合物代谢、减少能量消耗和蛋白质修饰,维持高盐胁迫下的各项基本生命过程。