大豆全球重要的粮食和饲料供应来源,同时具有非常丰富的工业用途。大豆由野大豆经长期人工选育与栽培驯化而来。大豆的人工驯化过程主要集中在对含油量、粒径、种皮光泽等优良性状的优势选择上,造成了遗传多样性大幅降低,遗传基因狭隘导致了大豆育种进展缓慢。野大豆作为大豆的近缘野生种,其种质资源优良性状的研究,是扩大大豆基因库和育种改良的基础。野大豆分布广变异程度高,在长期自然选择的作用下,经趋异适应形成了不同的生态型,其中耐贫瘠型野大豆具有可稳定遗传的,适应大部分养分胁迫环境的特性,为野大豆种质资源开发和适应性进化研究提供了良好的素材。氮参与植物细胞内蛋白质的构成,也是核酸、叶绿素、维生素、酶和辅酶系统、激素以及许多重要有机代谢物的组成部分。农业生产过程中过度使用氮肥造成多种环境污染问题,因此开发耐贫瘠作物品种是解决此类问题的理想选择。在贫瘠环境中,植物会通过提高体内养分利用效率来抵御养分胁迫,尤其是对老叶中的养分进行转运再利用,保证新叶等生长旺盛部位的生长发育。养分再利用是植物提高氮利用效率,增强环境的适应能力,提高生产力的重要机制。本研究以大豆、普通型野大豆和耐贫瘠型野大豆为试验材料,通过四分之一氮素浓度的Hogland营养液模拟低氮胁迫,测定和分析试验材料新叶与老叶在低氮胁迫下光合同化能力、离子含量变化以及有机小分子代谢物的种类、数量和代谢通路的变化,明确了低氮胁迫对大豆、普通型野大豆和耐贫瘠型野大豆光合同化能力、离子含量和有机养分再利用的影响。同时,通过低氮胁迫对普通型野大豆和大豆影响的比较研究,从养分再利用角度揭示了大豆在人工选育与栽培管理过程中抗逆性降低的原因;通过比较普通型野大豆和耐贫瘠型野大豆对低氮胁迫响应的差异,探讨了两种生态型野大豆趋异适应进化下耐低氮机制的变化。主要结论如下:1.通过分析低氮胁迫下大豆幼苗新叶和老叶气体交换系数和叶绿素含量变化,阴离子阳离子含量变化和小分子有机代谢物类型、含量和代谢通路的变化,从养分再利用的角度揭示低氮胁迫对大豆的影响。结果显示:低氮胁迫导致大豆幼苗新叶和老叶净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率和叶绿素含量显著下降;NO3-含量在大豆幼苗新叶和老叶中分别显著下降54%和42%,Mg2+含量分别显著下降17%和13.53%;新叶中缬氨酸、异亮氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、高丝氨酸、苏氨酸、丝氨酸、脯氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸乙醇胺和甘露糖胺分别显著下降78.19%、87.33%、50.03%、99.43%、82.75%、88.98%、82.26%、72.71%、54.29%、82.88%和59.47%,天冬酰胺在大豆幼苗老叶中显著下降89.13%;有机酸类代谢物（羟基丙酸、草酸、葡萄糖酸、半乳糖酸）、脂肪酸类代谢物（硬脂酸、棕榈酸、亚麻酸和亚油酸）和次生代谢物（新橙皮苷、水杨酸、樱桃苷和阿魏酸）在大豆幼苗新叶中均显著下降。研究表明:大豆幼苗新叶光合同化能力受到严重抑制;新叶和老叶中离子含量失衡,主要矿质营养供应受阻,NO3-和Mg2+含量严重不足;新叶中氨基酸代谢、有机酸代谢、脂肪酸代谢和次生代谢受到严重抑制,受物质和能量不足影响,无法充分再利用老叶养分,新叶养分亏缺严重。2.通过分析普通型野大豆低氮胁迫下新叶和老叶光合同化特性,离子含量变化和小分子有机代谢物类型、含量和代谢通路的变化,从光合碳固定、无机营养和有机营养再利用的角度揭示普通型野大豆响应低氮胁迫的生理过程。结果显示:低氮胁迫下普通型野大豆幼苗新叶和老叶净光合速率、气孔导度和蒸腾速率无显著变化,细胞间二氧化碳浓度在老叶中显著都升高,叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素素在新叶和老叶中都呈下降趋势,老叶中下降幅度较大。Mn2+、B3+、Fe3+、H2PO4-和C2O42-含量在新叶和老叶中显著升高,NO3-含量在新叶和老叶中分别显著下降38.05%和76.77%,SO42-、Mg2+和Ca2+在老叶中显著下降。天冬氨酸、苏氨酸、甘氨酸和乙醇胺在新叶和老叶中都显著升高,天冬酰胺和4-氨基丁酸（GABA）在老叶中分别显著升高287.71%和88.68%。硬脂酸、棕榈酸和亚油酸在新叶中显著下降,在老叶子显著升高;参与能量循环相关代谢产物6-磷酸葡萄糖、丙酮酸、甘油酸、富马酸、苹果酸和琥珀酸在老叶中显著升高。研究证实:在抵御低氮胁迫的过程中普通型野大豆通过维持新叶相对稳定的气体交换参数,缓解低氮胁迫对光合同化功能的抑制;同时在新叶和老叶中富集Mn2+、B3+、Fe3+、H2PO4-、Cl-和C2O42-等有益无机营养,加强对老叶中NO3-、SO42-、Mg2+和Ca2+等有益离子进行转运再利用,补充新叶无机营养;增强老叶中天冬氨酸代谢途径,富集天冬酰胺等氨基酸作为氮贮存和长距离转运载体,增强老叶脂肪酸代谢和能量代谢,为叶片中有机养分的转运利用提供物质和能量基础,提高抵御低氮胁迫的能力。3.通过分析耐贫瘠型野大豆低氮胁迫下新叶和老叶光合同化能力,阴阳离子含量变化和小分子有机代谢物类型、含量和代谢通路的变化,从碳固定、无机营养和有机营养再利用的角度揭示耐贫瘠型型野大豆适应低氮胁迫的生理机制。结果显示:低氮胁迫下耐贫瘠型野大豆幼苗新叶叶绿素含量无显著性变化,老叶叶绿素含量显著下降。新叶和老叶中Mn2+、B3+、Fe3+、Zn2+、Na+、P5+、Cl-、H2PO4-和C2O42-含量显著增加;K+和Ca2+在新叶中显著增加;与新叶相比,老叶中NO3-和SO42-含量下降幅度更大。天冬氨酸、异亮氨酸、高丝氨酸和脯氨酸分别在新叶中显著升高49.85%、85.34%、447.53%和130.64%,在老叶中显著下降;GABA、缬氨酸、天冬酰胺、丝氨酸和苯丙氨酸在老叶中分别显著升高20.51%、14.96%、16.00%、78.11%和54.05%;硬脂酸、棕榈酸和亚油酸在新叶中显著升高,在老叶中显著下降。多元醇含量和次生代谢相关代谢物在老叶中显著增加。结果表明:为了适应低氮胁迫,耐贫瘠型野大豆养分优先供给新叶,保证新叶光合同化功能相对稳定;新叶和老叶中大量富集Mn2+、B3+、Fe3+、Zn2+、H2PO4-、Cl-和C2O22-等无机营养元素,增加NO3-、Ca2+和K+的转运再利用,保证新叶矿质营养的供应;新叶通过增强天冬氨酸代谢通路,富集天冬氨酸、天冬酰胺、GABA和脯氨酸等适于贮存和远距离运输氮的关键氨基酸,加强氮在体内的转运再利用效率,增强新叶脂肪酸代谢,老叶糖和多元醇代谢,提高新老叶之间的能量供应,提高其适应低氮胁迫的能力。4.对比低氮胁迫对普通型野大豆和大豆影响的差异发现,与普通型野大豆相比,大豆幼苗新叶气体交换参数受到抑制程度更高,叶绿素含量下降幅度显著,新叶和老叶NO3-和Mg2+含量下降幅度更大,老叶中氨基酸代谢、新叶中能量代谢代谢受抑制作用更加显著。结果表明大豆生长旺盛的上端叶片受物质和能量供应不足的影响无法充分再利用衰老组织中的矿质营养和有机养分是其在人工驯化与选育后耐低氮胁迫能力下降的主要原因。5.进一步对两种生态型野大豆响应低氮胁迫的比较研究,与普通型野大豆相比,低氮胁迫下耐贫瘠型野大豆通过加强新叶光合同化作用保证碳同化作用的稳定,提高对NO3-和Ca2+在新叶和老叶之间的再利用,保证新叶重要矿质营养的供应;增强新叶和老叶GABA代谢和TCA循环。结果表明:耐贫瘠型野大豆维持新叶碳氮平衡和相对较高的能量供给水平,通过对老叶养分的充分再利用,保证新叶养分供应,使得耐贫瘠型野大豆在低氮胁迫下生长发育相对稳定。本研究从养分再利用的角度阐明了低氮胁迫对大豆、普通型野大豆和耐贫瘠型野大豆生理及代谢的影响,为植物营养及逆境生理研究研奠定理论基础;并进一步明确了大豆经过人工选育后胁迫耐性降低的生理机制,为拓宽大豆遗传基础以及进行良种选育提供理论基础;同时揭示两种生态型野大豆适应低氮胁迫的不同生理机制,为评价和利用野大豆种质资源提供量化标准,为植物趋异适应进化提供重要科学依据。