中文摘要：

始于一万年前的动植物驯化奠定了人类文明的基础。随着社会发展，我们面临驯化新作物- - 能源作物来提供可再生能源，以应对能源短缺和气候变化的挑战。芒草，特别是中国特有种南荻，具有丰富的遗传多样性和广泛的适应性，是最有潜力的新一代能源作物。如何利用研究粮食作物驯化机理得出的规律，应用群体遗传学理论和方法，结合基因组学数据，快速驯化新作物是关键的科学问题。本项目拟在适合于能源作物生产的边际性土地上，建立3个100-200亩的芒草试验地，每处种植约50个南荻居群和20-30万个个体，筛选出耐干旱、贫瘠和盐碱的高产个体，成为作物驯化的基础。并通过转录组测序，发现SNP，开发基因芯片，从而对试验地不同表现型的个体进行高通量基因型测定，然后做全基因组关联分析，鉴定驯化性状的遗传和基因组学基础。与粮食作物驯化机制比较，从控制驯化性状基因数目和类型的角度，检验人工选择的科学假设，建立新作物驯化的理论和实验体系。

结论摘要：

芒草，特别是中国特有种南荻，具有丰富的遗传多样性和广泛的适应性，是最有潜力的新一代能源作物。利用研究粮食作物驯化机理得出的规律，应用群体遗传学理论和方法，结合基因组学数据，快速驯化新作物是关键的科学问题。（1）在5个代表我国三种面积最大的干旱、寒冷、盐碱的边际性土地上完成构建了芒草试验地和种质资源评价。筛选出耐干旱、贫瘠和盐碱的高产个体，成为作物驯化的基础。(2) 对芒草在黄土高原的种植试验和生态效益评估，基于试验观测和长期气象数据，我们建立土壤水分平衡模型，发现由于浅根系的特点，在黄土高原半干旱地区种植芒草不会过度利用深层土壤水分形成干层，还会有效减少地表径流。这样，芒草长期可持续生产同时，有利于当地水土保持。根据样地观测，芒草在黄土高原地区种植能够增加土壤有机碳，每年每公顷平均0.46吨，最高达0.57吨。基于室内培养试验，我们估计土壤有机碳的矿化速率平均每年每公顷1.11吨，进而估计出芒草在黄土高原地区平均每年每公顷净固碳9.13吨。这对当地固碳减排以及发展低碳经济有重大意义。进而我们还对未来的气候变化对芒草种植潜力影响进行了模拟和评估，利用区域气候变化模式，分析了三种气候情景下2011-2099年的芒草生产。结果表明由于温度和降水的增加，产量将持续增加,相对于1961-1990年平均增幅20%。（3）在目标驯化地和原产地各取40个南荻个体，对这80个样品进行RNA-seq。研究发现，南荻从原生地移植到环境恶劣的驯化地后，遗传多样性下降，同时表达多样性增加，尤其是那些与在逆境环境下适应性相关的基因，包括非生物抗逆相关的基因，组蛋白甲基化基因以及缺水条件下的生物合成相关的基因。表达多样性增加最有可能来源于基因型和环境的互作，有可能丰富新环境下的表型变异，有利于自然选择和人工选择。在目标驯化地和原产地的进行的水分利用效率测定表明，南荻在半干旱地区的水分利用效率显著高于在原产地。对基因表达水平和水分利用效率进行矩阵相关分析发现48个候选基因；功能分类包括与光合作用、气孔调节、蛋白质代谢和非生物胁迫响应相关。其中近73％基因在半干旱地区表达上调，特别是与光合作用相关的基因有四分之三的表达显著上调。而水分利用效率相关基因的表达量变异程度主要受环境而非自身遗传变异影响。全转录组范围相关方法提供了鉴定候选基因以及研究其在植物适应逆境下表达量变化的有效手段。