土壤盐碱化被认为是一个全球性问题,也是现代土壤生态学的一个研究热点。目前,已知全世界约20%的灌溉土壤受到盐分的影响,并逐年恶化,严重威胁土地利用和作物产量。我国盐碱化土地分布广泛,面积大,类型多,其中分布在华北平原、东北平原、西北及沿海地区较为集中。盐碱破坏造成大量低产田和农民贫困,使土壤资源的大规模利用难,降低农业综合生产力,严重影响农业生产发展和农民生活水平。土壤渗透势、植物的生长、作物的质量和产量都会受到盐碱的胁迫,严重的,盐胁迫还会使植物死亡。因此,了解植物在盐碱胁迫下的元素含量,分析植物对盐碱胁迫的元素分布规律,为进一步研究植物的耐盐碱能力提供理论基础,对于增加作物产量,缓解我国耕地压力,促进农业的可持续发展有重要意义。在国内的研究中,关于植物在盐碱胁迫和外源调控下的生理生化反应研究很多,但关于植物在盐碱胁迫下的元素差异和代谢物差异的研究相对较少。本文以呼伦贝尔东南部草原为研究对象,调查了呼伦贝尔草原的群落类型,研究了主要群落不同部位的元素分布特征,进一步研究了典型耐盐植物碱蓬和星星草在盐碱环境下的矿质元素,初级代谢和酚类代谢的分布差异,以期通过应用离子组和代谢组的综合分析,构建盐碱地植物体内代谢-离子调控网络,为深入挖掘盐碱生态适应性强的草种质资源、功能代谢物,为草种质资源开发利用提供支撑。首先通过呼伦贝尔东南部草原的群落结构调查发现,主要有五种群落类型(1)主要以星星草为主的旱生杂草群落,此种群落物种多样性相对较高;(2)主要以芨芨草为主的群落,芨芨草占绝对优势;(3)主要以碱蓬为主的重度盐碱群落,多样性极低;(4)以芦苇为主的湿生到旱生的过渡群落,芦苇占绝对优势;(5)主要以马蔺为主的群落。盐碱地物种丰度和多样性极低,一般片区不超过10种,甚至低于3种。碱蓬群落和星星草群落是生长在盐碱度较为恶劣环境中的先锋群落,本实验选取碱蓬群落的主要优势种:碱蓬、地肤、滨藜、西伯利亚蓼;星星草群落的主要优势种:星星草、碱地蒲公英、走茎苔草、盐生车前作为研究对象,综合全面的分析矿质元素在碱蓬群落和星星草群落的各个组织部位(根,茎,叶片)中的分布。我们发现碱蓬群落对于盐碱的耐受性要优于星星草群落,其中对K、Ca、Na、Mg的吸收和积累也要高于星星草群落。将两大群落土壤矿质元素的含量进行比较,可以发现星星草群落和碱蓬群落元素K、Na、Mg、Zn、Ni、B有显著差异,其他矿质元素无显著差异。说明造成两种群落存在差异的主要元素是K、Na、Mg、Zn、Ni、B。由于碱蓬和星星草显著的抗盐碱效果,因此,以碱蓬群落的主要建群种——碱蓬,星星草群落的主要建群种——星星草为研究对象,利用ICP-OES,GC-MS和LC-MS对碱蓬和星星草根,茎,叶片的元素和代谢组进行测定和综合分析,探讨了两物种间元素分布差异和代谢物分布差异。本研究取得以下进展:(1)利用建立的ICP-OES方法对碱蓬群落和星星草群落根,茎,叶中11种元素含量及分布进行全面综合的检测和分析。相对于碱蓬,星星草植物所面临的生境盐碱压力会小一些。星星草叶、茎和根普遍具有较低的Na富集系数,和较低的Na转运系数,所以盐碱承受能力上显著低于碱蓬植物。而其他矿质元素K、Ca、Mg、Zn、Cu、Fe、Mn的富集系数也显著低于碱蓬,转运系数也低于碱蓬。从组织部位的富集强度来看,碱蓬矿质元素K、Ca、Na:叶>茎>根;Mg:叶>根>茎。而星星草各部位的元素富集程度与碱蓬不一样,Ca、Na、Mg:叶>根>茎;而K:叶>茎>根。(2)利用GC-MS非靶向代谢组学技术对碱蓬和星星草根,茎,叶片进行全面的分析。运用多元统计分析,建立PLS-DA模型,对各物种组织间特异性进行分析,最终得出,碱蓬和星星草各组织间可以清晰区分,并且对模型进行可信度验证,根据225种化合物在投影中的不同重要性(VIP,VIP>1)和P值(P值<0.05),最终共鉴定51个差异代谢物作为区分各组织间的主要因素(VIP>1,p<0.05)。它们被分为糖、7种氨基酸、5种醇、18种酸和10种其他化合物。碱蓬中大多数代谢物的相对含量高于星星草,这些代谢物主要积累在碱蓬的叶和根中。此外,星星草根中这些代谢物的相对含量已经达到了碱蓬根中相对含量最低的水平。其中,TCA成员富马酸和柠檬酸主要积累在根中,它们之间没有显著差异,这表明大量能量被用来抵御盐碱胁迫。(3)利用LC-MS非靶向代谢组学技术对碱蓬和星星草根,茎,叶片进行全面的分析。建立PLS-DA模型,对各物种组织间特异性进行分析,最终得出,碱蓬和星星草各组织间可以清晰区分,并且对模型进行可信度验证,最终共获得了 10种显著不同的酚类化合物,这些代谢物在碱蓬和星星星草中的丰度有很大差异。对羟基肉桂酸,绿原酸,木犀草素和槲皮素在星星草中出现极显著的积累,而对羟基苯甲酸,丁香酸,肉桂酸,没食子酸,原儿茶酸在碱蓬中表现出极显著的积累,说明碱蓬和星星草需要通过积累不同的酚类化合物积极响应于盐胁迫。在代谢通路富集分析中,我们发现,碱蓬和星星草地上部都分布了较高水平的酚类化合物,如阿魏酸,染料木素,L-苯丙氨酸,没食子酸,芦丁。但是与星星草相比,碱蓬地上部分布了更高水平的L-苯丙氨酸,没食子酸,芦丁。因此,碱蓬和星星草主要通过向地上部运输更多的酚类化合物如L-苯丙氨酸,没食子酸,芦丁来清除自由基,调控离子稳态,缓解盐胁迫,其中碱蓬表现出更强的耐盐性。在代谢途径可视化分析中,发现碱蓬主要是黄酮醇合成途径的积累,而星星草主要是类黄酮合成途径的化合物的积累,说明在逆境胁迫条件下,酚类化合物的积累是多功能的,碱蓬和星星草需要通过合成不同的途径来响应逆境胁迫,更好的适应环境。