对植物来说,钴是一种非必需重金属元素,适宜浓度时可以促进植物的生长发育,然而当植物从土壤中吸收过多钴元素时,又会对植物产生有害影响。当前关于植物钴胁迫响应机制的研究主要集中在经济类作物或草本模式物种上,而对于木本植物钴胁迫响应机制的研究相对较少。本论文以垂柳作为实验材料,将钴胁迫下植物的形态、生理和生化指标结果与转录组数据及microRNA测序结果相结合,研究柳树对钴胁迫的分子响应机制,揭示柳树响应钴胁迫的生理生化特征及其可能的分子机制。本论文的主要结果如下:1、在形态上,100 μM钴胁迫使植物叶片黄化,植株根系的生长受到抑制,使柳树植株产生了明显的表型变化。在生理生化水平上,钴胁迫使钴元素在植株体内大量积累,影响其他金属元素在体内的含量,显著降低了植株叶片中叶绿素a和叶绿素b的含量。钴胁迫显著改变了植株叶片的气孔导度,提高了蒸腾速率和胞间二氧化碳含量,但净光合速率显著降低,同时植株体内可溶性总糖的含量显著升高。钴胁迫诱导了柳树体内的氧化应激反应,使得大量活性氧在植株根部积累。过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性显著升高,而过氧化氢酶的活性降低。氧化应激对植物根系产生了伤害,使得丙二醛含量在根系中显著升高。2、在分子水平,通过转录组分析,本论文在植株根部发现了 1 165个差异表达基因和62个差异表达microRNA。在地上部发现了 836个差异表达基因和80个差异表达microRNA。通路富集分析发现这些差异表达基因主要参与糖类物质代谢、木质素合成代谢、氨基酸代谢和类黄酮代谢等通路上。3、本论文提出了柳树响应钴胁迫的三种可能的防御机制:一是通过根系大量分泌有机酸和调控一系列金属离子转运蛋白基因的表达,来外排和减少对钴离子的吸收,以减少其在植物体内的含量;二是通过调控一系列抗氧化系统基因的表达和提高抗氧化酶的活性以及抗氧化物质的含量来清除植物体内钴胁迫诱导的活性氧和自由基;三是通过富含半胱氨酸的植物螯合肽或金属硫蛋白对过量钴离子的螯合作用,来减少植物细胞内游离的钴离子。4、在柳树响应钴胁迫时,植株根系中柠檬酸的含量显著升高。在三羧酸循环中可逆催化柠檬酸的合成和积累,又同时具有铁离子稳态调控功能的顺乌头酸酶,其基因的表达也发生上调。顺乌头酸酶在被子植物中发生了基因扩张,且大片段重复贡献于该基因家族的扩张,基因扩张后产生了 A1和A2两大支基因。基因结构、分子选择压力和表达模式分析均表明,A2支上的基因其基因结构更加保守,受到更强的纯化选择,并且在根中具有较高的表达水平。综上所述,本论文研究了钴胁迫对木本植物在生理和生化水平上的影响,并揭示了其可能的分子机制。通过转录组和microRNA分析,发现了柳树响应钴胁迫的三种防御机制。本论文的研究结果以全面的视角为木本植物对钴胁迫的响应机制提供理论参考,为培育具有更高抗性的林木新品种提供理论依据。