楸树(Catalpa bungei)是我国著名的园林观赏树种和优质珍贵用材树种,也是较为古老的树种之一,已有3000多年的栽培历史。目前楸树速生丰产林营建过程中,面临着林分质量低、生产力低下和经营管理措施科学性不够等现实问题。光强和水分是植物生长发育中重要的环境因子,也是限制生产力的重要因素。本研究立足于光强和水分两大限制性资源,而重点偏向于光,分别从植物生理生态角度和分子生物学角度来揭示形态生理和生物信息学方面的内容。研究结果将为楸树种苗培育、林分光环境管理、密度调控等方面提供理论参考和数据支持,填补目前楸树对光响应研究报道方面的空白。为进一步丰富楸树商品林高效集约栽培技术新体系,推进我国中部地区珍贵用材林建设工程等方面提供相关理论依据。(1)设计光强转换实验,分别研究了楸树无性系9-1幼苗老叶和新叶对变动光环境的响应情况。实验设计了3个固定光强(自然光强的80%、50%和30%),和4个转换光强(80%转50%、80%转30%、30%转50%、30%转80%),分别模拟了自然界中修枝间伐等引起的树冠中下层叶片光量子密度增加,以及林分郁闭过程中,叶片接收的光量子密度减少这两个过程。研究结果表明:楸树幼苗生长和光合、荧光参数在不同光强下差异显著(P<0.05)。楸树苗期具有较强的利用强光的能力,在将来的苗木培育过程中进行轻度遮阴即可。对于老叶片来说,当植株由30%分别转入50%和80%光强时,面对突然增加的光强,植株表现出光抑制,转入50%光强的组合在30天之内光抑制可以恢复,而转入80%光强的组合在30天之内不能恢复,且F_v/F_m值显著低于其他组合。对于新叶片来说,光强转换后在同一个光环境中生长发育的叶片其叶绿素荧光参数没有显著差异,说明新叶片已经完全适应了新的光环境。综上所述,一些林分管理措施,比如修枝和间伐都是为了获得冠层光的重新分配,需要考虑间伐强度问题,因为突然增加的光强会引起林冠内已经适应了低光环境的叶片发生光抑制,光合降低,并最终影响生物产量。(2)设计3个光照强度和2个水分梯度研究不同光环境下楸树无性系9-1幼苗的干旱适应能力,说明遮阴是否会削弱干旱带来的负面影响的问题。研究结果表明:光强和水分均显著影响形态和生理指标,且二者之间存在交互作用(P<0.05)。对光的表型可塑性(0.47)高于对水的可塑性(0.21),说明光是引起变化的主要因素,而且叶片生理参数的表型可塑性要高于形态参数的表型可塑性。80%和50%光强下,干旱胁迫显著降低了生长、总生物量,叶和茎生物量分配,然而30%光强下,生长和生物量无显著差异。并且,30%光强下正常水分和干旱下的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均无显著差异。所以,在50%光强下,遮阴没有改变干旱带来的负面效应,而在30%光强下,遮阴削弱了干旱带来的负面效应。综上所述,干旱对楸树的负面效应受光环境的影响。该结果也说明了楸树在干旱区造林密度调控和光环境管理的必要性。(3)对4年生楸树无性系9-1的阴生叶和阳生叶的形态生理特性进行分析,研究结果表明:阴生叶和阳生叶在叶片结构、养分含量、非结构性碳含量、气体交换参数、光响应参数和叶绿素荧光参数方面均表现出显著差异(P<0.05),而叶绿素没有表现出显著差异,阳生叶的净光合速率是阴生叶的5倍以上。阴生叶和阳生叶光响应模型优劣次序表现为:指数模型>直角双曲线>非直角双曲线。生理可塑性指数要高于形态可塑性,其中生理可塑性较高的是气体交换参数和叶绿素荧光参数。研究结果为林分管理提供了第一手资料。(4)以4年生楸树无性系9-1幼树的阴生叶和阳生叶作为材料,完成6个样品的转录组测序。共获得48.78Gb Clean Data,各样品Clean Data均达到6.91Gb,Q30碱基百分比在96.36%及以上。组装后共获得81,395条Unigene。其中长度在1kb以上的Unigene有18,575条。Unigene的总长度为67,432,983,组装完整性较高。对Unigene进行功能注释,包括与NR、Swiss-Prot、KEGG、COG、KOG、GO和Pfam数据库的比对,总共有38114条Unigene获得了注释,占比为46.8%,获得了较好的注释。进行基于Unigene库的基因结构分析,其中SSR分析共获得7,829个SSR标记。差异表达分析结果表明阴生叶和阳生叶差异表达基因数目为1306个,阳生叶VS阴生叶,上调基因数目为826个,下调基因数目为480个,无显著性表达差异的基因数目为20,471个。对差异表达基因进行模式聚类、功能注释以及富集性分析。Unigene和GO数据库进行比对可以分为生物过程、细胞组分和分子功能3大类53个分支。Unigene根据COG数据库大致分为25类。以KEGG数据库为参考,根据代谢通路可以将转录组数据分为5个大类50个小类。综上所述,首先,本文量化了修枝间伐强度问题,提出不可一次性强度过大,应该分多次进行。其次,根据干旱对阴生叶损伤较阳生叶小的结论,提出了干旱区造林要考虑阴生叶保留量的问题。最后对阴生叶和阳生叶进行生理生态和转录组研究,分析了表型和基因表达差异,并注释到了一些差异表达基因。本研究将对楸树苗木培育、密度调控、林分光环境管理、基因表达等理论研究和生产实践提供一定的科学依据和数据支持。