羊肚菌（Morchella spp.）是一类名贵的珍稀食用菌,风味独特,享誉全球,但仅在每年的特定季节发生,羊肚菌的驯化栽培一直是全球蘑菇爱好者追寻的工作。在广大科研工作者和羊肚菌爱好者的不懈努力下,我国羊肚菌大田栽培技术近年来取得了长足进展,栽培区域和栽培面积得以迅速扩大。羊肚菌的极性、生活史、生长发育、营养代谢等基础生物学研究薄弱,育种技术、菌种质量控制技术和栽培管理技术尚不完全成熟,每年有约70%的栽培者无法稳定盈利,极大地限制了羊肚菌产业稳健发展。本课题紧扣当今羊肚菌产业面临的基础生物学问题,借助于现代分子生物学和组学手段,对梯棱羊肚菌生活史、生长发育过程和羊肚菌属主要的分支物种进行组学研究。1. 对可栽培的梯棱羊肚菌（M.importuna）（F₀）进行了单孢群体的制备（F₁）,随机选择7个单孢菌株进行单独和两两混合（10组）的栽培出菇试验,结果发现其中6个单孢菌株和所有的两两组合均能正常出菇;为进一步研究单孢出菇的现象,从每个出菇试验形成的子囊果（F₂）中随机选择2个,并就两个单孢出菇的F₂子囊果进行F₃单孢群体的制备,借助交配型基因特异性引物对F₀、F₁、F₂、F₃的基因型进行判别,结果表明,虽然拥有单个交配型基因型的单孢菌株可以正常出菇,但它们的后代中均多出了相反的交配型基因型,推测这是栽培过程中“无性孢子”传播和“交配”所导致;以M04M24和M04M26两个不同交配型的单孢菌株为材料,进行深度的基因组de novo测序、组装和功能注释,获得了梯棱羊肚菌的参考基因组;从全基因组、基因结构和差异基因的功能等方面,分析代表着两种交配型菌株之间的差异,结果表明它们在基因序列、交配型基因结构和特有基因的功能上具有差异性和互补性,表明两个不同交配型的单孢之间相互配合是完成有性生活史所必需的。梯棱羊肚菌是一种异宗结合生活史真菌。2. 在获得参考基因组数据的基础上,采用转录组学、蛋白组学的分析方法,对梯棱羊肚菌生活史中营养生长和生殖生长过程中的主要阶段（幼嫩菌丝、白色菌核、成熟菌核、原基、幼菇和成熟子囊果）进行分析。转录组分析表明,在上述6个阶段中97.55%的基因表达,有性生殖3个阶段表达的基因数量明显多于3个营养生长阶段,成熟子囊果阶段表达的基因数量最多,这与有性子实体形成过程中复杂的形态建成和内在的生理代谢相匹配;在p<0.001的极显著水平和log2>1的标准下,共鉴定到6421个差异表达基因,按照表达模式进行了功能富集分析;阶段特异性基因分析显示,一些在生殖生长阶段特异存在的高表达基因可能直接参与了羊肚菌子囊果的生长发育;对梯陵羊肚菌整个生长发育过程中的转录调控进行了分析,基因组中87.2%（257个）的转录因子在这6个阶段差异表达,一些被注释为STE11、Cnj B、APSES、forkhead、MYB、Zn（II）₂Cys₆的转录因子可能直接参与着羊肚菌子实体或菌核的发育调控。3. 对梯棱羊肚菌幼嫩菌丝、白色菌核、成熟菌核、幼菇和成熟子囊果5个阶段进行了深度的LC-MS/MS质谱分析,并采用label-free相对定量方法进行了差异蛋白组分析。总鉴定到2060个可信蛋白,其中营养生长阶段有1935个,多于生殖生长阶段的1622个,两个阶段特有蛋白分别为437和124个;随着生长发育过程的延续,差异蛋白数量持续增加;功能分析显示,持续下调的蛋白主要富集为三大基础代谢,上调表达的蛋白也分别对应于阶段性的生理表型;除凝集素（11.07%）和延伸因子1α（2.72%）蛋白高丰富表达外,伏鲁宁体蛋白也高丰度表达,占总蛋白丰度的3.75%,暗示它可能在羊肚菌生长发育中扮演着某种特殊作用。qRT-PCR检测显示,这些高丰富蛋白在mRNA和蛋白水平上具有较强的一致性。4. 对羊肚菌属主要分支的17典型种和钟菌属（Verpa）1个种进行了基因组深度测序和de novo组装。结果显示,18个种的基因组平均大小在56.37Mb,平均contig数量和N50分别为96个和1.3Mb;平均预测到11150个编码蛋白,平均95.75%的基因可以被注释出来,平均有99.26%的保守基因可以被预测到。5. 对羊肚菌17个种和1个钟菌种的线粒体基因组进行了拼接和注释分析。结果显示,它们均为环状的双链DNA结构,显示出与其他物种明显不同的特征,表现在以下4个方面:1)它们是目前所有真菌中最大的,大小从244kb到569kb不等,GC%含量在39.95%-47.15%之间;2)不同物种拥有数量不等的内含子,内含子序列总长度在98.34kb-237.36kb之间,占基因组全序列的36.07%-70.73%,这是供试菌株线粒体基因组增大的一个主要原因;3)线粒体基因组中隐匿着大量的非保守ORF（nc ORF）,从152个到499个不等,nc ORF序列长度占基因组的比例从25.74%-50.71%不等;4)存在着大量的散在重复序列,重复单元数量从333个到770个不等,重复序列占基因组的比例在15.00%-51.31%之间。线粒体基因组结构特征的区分整体与羊肚菌属的分类相对应,暗含着它们在进化上的独立性和特殊性。6. 借助于全基因组数据,对羊肚菌属进行系统发育分析。采用全基因组的保守蛋白、分化时间、线粒体保守蛋白和线粒体全序列等进行的进化分析结果均表明,羊肚菌属整体上分为两大类群,而不是基于多基因系统发育分析所说的三类群（Elata、Esculenta和Rufobrunnea clade）;本文的分析结果表明,Rufobrunnea clade的代表种红褐羊肚菌（M.rufobrunnea）和Esculenta clade虽然有一定的进化距离,但仍划归在一个独立的分支下,称之为黄色羊肚菌类群（Yellow clade）,平行于黑色羊肚菌类群（Black clade）,两大类群的分歧时间在102.71MYA。7. 线粒体基因组和保守ORF的共线性分析显示,虽然经历着快速的进化,但相近进化类群间的共线性较高,不存在明显的基因重排现象,这表明它们应起源于一个共同的祖先,在进化中主要是内含子区域和基因间隔区域未知来源的重复序列插入,最终形成了增大了的线粒体基因组;nc ORF的起源仍然是一个谜,基于45.57%的nc ORF可以被注释为HGEs、平均有60.24%的nc ORF处于活跃表达状态、重复序列的高GC%含量对应着核基因的CDS高GC%含量、线粒体基因组和核基因组没有共线性的事实,推测线粒体基因组中的重复序列最有可能是通过通过“剪切-插入”的方式,从核基因组转移到线粒体基因组。而线粒体基因组中的大量ncORF的功能还有待进一步研究。