铝毒害是酸性土壤上限制作物生产的主要因子。饭豆是起源于热带、亚热带地区的一种长期适应酸铝土壤的农作物,是研究作物酸铝适应机制的理想材料之一。我们课题组已经利用抑制差减文库(SSH)技术构建了饭豆在低浓度和高浓度铝胁迫下的早期响应的文库,发现其中‘信号转导与转录’以及‘代谢与能量’相关的基因被优势上调表达,其中转录因子VuNAC1 (Vigna umbellata NAM, ATAF and CUC transcription factor 1)和甲酸脱氢酶代谢基因VuFDHl (Formate Dehydrogenase)等在饭豆应答低浓度和高浓度铝胁迫时有较明显的上调。因此,我们对这些基因进行了耐铝功能验证,发现超表达VuNACl和VuFDHl这两个基因的转基因株系具有较明显的耐铝表型,因此我们对这两个基因进行了更为深入的研究,以期进一步阐明酸性土壤植物的耐酸铝机制。主要研究结果如下：(1)通过RACE技术扩增得到该基因全长cDNA序列,并通过Genome Walking技术获得了启动子序列。底物特异性分析表明VuFDH1对甲酸盐具有底物特异性,具有甲酸脱氢酶活性。qRT-PCR以及组织定位分析表明VuFDHl在根尖受Al及H+胁迫后显著性上调。通过in silico预测以及in planta VuFDH1-GFP融合基因过表达拟南芥株系证明了VuFDH1定位在线粒体。进一步研究表明,Al胁迫下饭豆根尖甲酸盐迅速累积(2小时之内),之后一直维持在较高累积水平。这些结果表明甲酸盐的产生可能参与了Al诱导的根尖伸长的抑制。随后,我们通过转基因株系研究了饭豆甲酸脱氢酶在H+以及铝耐性中的作用。与野生型烟草相比,VuFDHl过表达烟草增加了其对Al及H+胁迫的耐性。Al胁迫后,野生型烟草根尖甲酸盐含量升高而VuFDH1过表达烟草株系根尖甲酸盐含量变化不明显。烟草两个主要耐铝基因NtMATE和NtALS3在野生型以及VuFDH1过表达烟草株系之间没有显著性差异。这些结果表明,VuFDH1影响饭豆对Al的耐性主要是通过降低Al诱导的甲酸盐含量来实现的。我们的研究结果为Al毒害和H+胁迫共存的酸性土壤上的植物的生长的促进提供了一条新的参考途径。(2)通过RACE技术扩增得到该基因全长cDNA,并通过Genome Walking技术获得了启动子序列。qRT-PCR分析表明VuNAC1在饭豆根尖受Al胁迫后显著性上调。VuNAC1在饭豆根尖的表达是Al处理时间和Al浓度梯度依赖的。超表达VuNAC1-GFP融合基因的拟南芥转基因株系GFP荧光定位分析表明VuNAC1定位在细胞核。酵母转录激活实验表明该基因具有转录活性。组织定位分析表明VuNAC1在根尖受Al胁迫后表达量增加。与野生型拟南芥相比,VuNAC1过表达拟南芥株系增加了其对Al胁迫的耐性。进一步研究了过表达VuNAC1对一系列Al耐性基因的影响,结果表明一些重要的铝耐性响应相关基因的转录均不受VuNAC1的影响或者影响不显著。此外,过表达VuNAC1也没有增加植株的苹果酸分泌以及减少根部Al的含量。这些结果表明,VuNAC1提高植株对Al的耐性不是通过影响已知的耐铝机制来实现的。我们进一步对拟南芥WT和VuNAC1过表达株系进行了转录组分析。比较研究发现,与WT相比Al处理后VuNAC1过表达株系中分别有128个上调基因和69个下调基因是VuNAC1过表达株系所特有的。我们发现这些特有上调表达基因的启动上具有较多的NAC顺式作用元件,有些还以串联的形式出现。对这些特异表达基因的GO功能归类发现了一类细胞壁相关基因的表达上调尤其明显,同时发现VuNAC1过表达株系能够减少细胞壁上的铝而增加细胞汁液中的铝含量,表明调节细胞壁修饰相关基因表达从而解除质外体铝毒是VuNAC1介导的耐铝机制之一。