氮和磷是植物必不可少的重要大量营养元素，铁也是至关重要的微量元素。这些营养元素是植物生长发育所必需的。在自然界中，这些元素在正常条件下是丰富的，但是土壤中以植物能吸收的形式存在的元素含量往往不能满足植物的需求。小麦是世界上最重要的粮食作物之一。磷和氮缺乏是农业生产中的主要限制因素，特别是小麦。在pH值低于5的土壤中，不仅铝毒性严重，而且磷和氮的缺乏更为严重，这严重影响小麦的生长和产量。同时，pH显著影响土壤中铁的含量，磷铁之间存在拮抗作用。在铝胁迫下，研究者对不同耐铝性能的小麦品种进行了广泛的研究。但是，这些小麦品种在磷，氮缺乏和磷铁相互作用条件下的生长情况和耐受性以及其作用机制仍不清楚，该研究可能为在酸性土壤上磷氮铁高效小麦品种的选育提供信息。
　　小麦品种Atlas66（耐铝型）和Scout66（铝敏感型）以及ET8（耐铝型）和ES8（铝敏感型）这两种小麦的近等基因系(NIL)是广泛研究的具有显著耐铝性差异的小麦基因型。过去的一些研究阐明了这些不同耐铝性品种的铝耐性差异及其作用机制，然而对于它们在其他养分胁迫下的生长和响应特征及其作用机制还有很多不清楚。本研究系统分析水培条件下不同的耐铝性的小麦品种在缺磷胁迫、缺氮胁迫和模拟的磷铁互作效应存在的条件下的表型、生理生化差异响应，并通过组学解析其中的作用机制。主要结果总结如下:
　　研究首先系统分析了不同耐铝性小麦品种Atlas66和Scout66在缺磷胁迫下的形态、生理和分子响应。研究发现，铝敏感品种Scout66的地上部和根系中可溶性磷酸(Pi)和总磷(P)含量均高于Atlas66。与Atlas66相比，Scout66具有更高的根系生物量、更高的叶绿素含量以及根系体积和根尖数。磷响应基因TaIPS1，TaSPX3和TaSQD2的表达量在两个小麦品种中均被强烈诱导。但是在长期磷胁迫条件下，Scout66的诱导表达量高于Atlas66。因此，铝敏感小麦品种Scout66在磷胁迫条件下的适应性更好。
　　缺氮胁迫下，小麦品种Scout66中的叶绿素含量显著高于Atlas66。进一步，我们通过蛋白组学解析它们在缺氮胁迫下的响应机制。Atlas66和Scout66的根系中分别鉴定到了5592个和5496个蛋白质。其中，两个品种中在氮胁迫下分别有658和734个蛋白质的丰度发生了显着变化。大多数差异表达蛋白参与细胞氮代谢和光合作用等生物过程。四吡咯的合成和硫酸盐的同化作用在Scout66中发生了富集。本研究为更好地理解缺氮条件下不同基因型的小麦品种的生理响应机制提供了一些蛋白水平的信息，有助于不同类型土壤中氮高效品种的选育。
　　分泌有机酸是植物应对缺磷和缺铁胁迫的重要响应策略之一。我们对小麦品种ES8和ET8根系在不同磷铁条件下的有机酸分泌进行了研究。研究表明，缺磷条件下，ES8的根长显著更长，而ET8的叶绿素含量则较高。此外，在(-Fe-P)处理下，ET8中的锰含量也比ES8高。与正常条件相比，ET8的草酸含量在缺磷条件下诱导升高，而在缺铁条件下，其柠檬酸含量诱导升高。但是，所有处理下，ET8分泌的有机酸含量均高于ES8。在(+Fe-P)和(-Fe-P)处理条件下，ET8的TaPHT1基因被显著地诱导表达，在(-Fe+P)和(-Fe-P)条件下TaDMAS-A和Ta-NAAT1-A基因显著地诱导表达。但在这两种条件下，地上部和根系的磷铁含量则没有显著变化。这表明，与ES8相比，ET8分泌的较高的有机酸可能与磷铁胁迫下较高的磷铁含量无关。
　　本研究还比较了中国春和小堰54这两个不同磷利用效率小麦品种对磷胁迫的响应机制。小麦品种中国春的磷利用效率较低，而小堰54则是磷高效品种。缺磷胁迫下，小堰54中地上部高度相对较低，生物量显著更低，根系相对较短，但是根系生物量和根尖数更高。重新供应充足的磷后，小堰54中有效磷的浓度显著高于中国春。小堰54的根系中与磷饥饿响应相关的基因在中国春中表达量更高，但在地上部的表达量没有显著差异。采用基于label-free的蛋白质组学，研究了这两个小麦品种在不同时间点上在不同磷素供应条件下的响应机制。中国春和小堰54中分别鉴定到了6095和7026个蛋白质。在缺磷胁迫和磷再供应条件下，中国春和小堰54中分别有952、853、678和514个蛋白质的差异表达。在缺磷胁迫下，氮代谢、丙酮酸代谢、三羧酸循环(TCA循环)、谷胱甘肽代谢相关蛋白在小堰54中富集，在恢复磷素供应后，光合作用、亚麻酸代谢和内吞作用相关蛋白发生富集。这些结果可以为更好地了解不同磷供应条件下小麦品种的磷高效机制提供信息，有助于磷高效小麦品种的选育。