马尾松(Pinus massoniana Lamb.)以其速生、丰产、适应性强、综合利用程度高、用途广泛等优良特性成为我国最重要的乡土用材树种,广泛分布于秦岭、淮河以南,云贵高原以东的17个省、自治区、直辖市。干旱灾害严重影响马尾松的生长和繁殖,但其强大的根系吸水能力增强了对逆境的适应,从而使马尾松成为植树造林的主要先锋树种之一。提高树种的抗旱性是森林培育的主要目标之一,所以强化研究马尾松对干旱环境的适应机制至关重要。为此,本研究以马尾松幼苗为研究对象,通过生理生化分析、细胞学、挥发性代谢组分、蛋白质组学等研究方法与手段,研究了马尾松幼苗响应干旱胁迫的机制机理,以期为马尾松造林育苗、干旱半干旱区的马尾松造林绿化提供科技支撑。主要结果如下:1、初步明确了不同程度干旱胁迫下马尾松幼苗生长生理指标的变化规律。(1)土壤水势和针叶水势随着干旱程度的加深而逐渐降低;干旱胁迫影响马尾松幼苗生物量分配,马尾松苗木生物量、根冠比、苗高、地径、根长和侧根数等指标在重度胁迫下显著低于对照。严重干旱显著抑制了马尾松形态生长,这些指标一定程度上反映了干旱胁迫对马尾松生长的影响;(2)测定了干旱胁迫下马尾松针叶渗透调节物质含量,显示可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸和丙二醛的含量随干旱程度的加深含量逐渐增加,这些物质含量增加一定程度上缓解了干旱的逆境胁迫;抗氧化酶系统能有效清除活性氧,保证细胞正常的生理功能,维持其对干旱胁迫的抗性,马尾松针叶干旱胁迫下CAT、SOD和POD酶活性总体呈上升趋势,有利于清除自由基,降低膜脂过氧化水平,从而减轻膜伤害程度;(3)内源激素的测定结果显示,赤霉素和生长素含量随干旱胁迫程度的加深逐渐降低,玉米素、脱落酸含量则呈逐渐升高趋势。干旱胁迫下马尾松幼苗针叶中相关生理指标相互协调来适应干旱逆境,可作进一步深入研究。(2)测定了干旱胁迫下不同器官挥发性物质的相对含量变化,结果显示:(1)针叶中挥发性物质相对含量较高的有α-蒎烯、β-水芹烯、石竹烯等,这些挥发性物质随着干旱程度的加深呈先降低后升高的趋势;茎段中主要的挥发性物质为α-蒎烯、β-榄香烯和石竹烯,3种萜类物质在干旱胁迫中的变化趋势有较大差异;主根中α-蒎烯、d-长叶烯、石竹烯是主要的挥发性物质,根尖中挥发性物质是α-蒎烯、β-榄香烯、3-蒈烯;中心聚类分析显示,α-蒎烯、β-水芹烯和石竹烯3种挥发性物质在马尾松幼苗抗旱中发挥重要作用,是马尾松幼苗响应干旱胁迫的主要挥发性组分;(2)采用高分辨全二维飞行时间质谱进一步鉴定和分析,鉴定出68种挥发性物质,干旱胁迫下32个代谢产物显著增加,4个代谢产物显著降低。(3)明确了干旱胁迫下马尾松幼苗光合特征的变化,结果显示:(1)马尾松针叶净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)随着干旱胁迫程度的加深逐渐降低,水分利用效率(WUE)先升高后降低。这些指标对干旱胁迫表现出明显的阈值响应,因此在马尾松造林过程中,幼苗能够维持生长的土壤水分阈值范围在中度干旱的范围以内,即田间持水量为40%-75%时才能保证马尾松同时获得较大的光合作用水平和水分利用效率;(2)轻度和中度胁迫下Pn下降是由气孔限制因素引起,重度干旱胁迫Pn下降是由非气孔限制因素引起。RDA分析表明,气孔导度(Gs)是马尾松幼苗光合特性(Pn、Tr、WUE)的主要驱动因子,占所有环境因子解释量的94.30%;针叶含水量(NWC)和针叶水势NWP是Gs的主要影响因子,共计占所有因子解释量的94.00%。马尾松针叶含水量和水势影响气孔导度,进而影响针叶的光合速率。(4)初步明确了马尾松光学显微结构和超微结构在干旱胁迫下的变化,主要结果有:(1)马尾松根尖、茎段、针叶在干旱胁迫下细胞结构遭到破坏,其中,在重度胁迫下出现细胞破裂、崩溃现象;(2)马尾松细胞的超微结构主要以叶绿体和线粒体为主,重度干旱胁迫下,叶绿体、线粒体结构均破坏严重,叶绿体基质片层与基粒间断裂且散布于细胞膜膜内,线粒体内膜结构受到严重破坏且内部出现大面积的空穴化,质壁分离的现象明显出现崩溃。(5)研究了干旱胁迫下马尾松幼苗差异蛋白鉴定、筛选与功能鉴定,主要结果有:通过对蛋白质表达的分析,发现了2533个干旱胁迫相关的蛋白质。对照:中度、对照:重度下分别有43和168个差异蛋白质表达。功能分析表明,马尾松干旱胁迫下差异蛋白的代谢途径主要有:次生代谢产物的生物合成途径、内质网、碳代谢、丙烷合成、糖酵解途径及淀粉和蔗糖代谢。这些蛋白质可能在马尾松抗旱过程中中扮演重要的角色,通过差异蛋白功能的表达来适应干旱环境的变化。结论:本论文工作通过蛋白质组学等手段,结合细胞结构、生理生化指标等指标,初步明确了马尾松在干旱胁迫下植物功能性状的变化规律。通过以上研究明确了干旱胁迫下马尾松各器官的差异挥发性物质和差异蛋白,对于揭示马尾松的抗旱、耐旱机理具有重要意义。