氮素是作物生长的必需元素,也是作物产量的限制因子之一。然而,氮肥的过量施用造成了严重的环境污染,且加重了农业生产的经济负担。农业生产亟需减轻对氮肥的过度依赖,而培育具有高氮素利用率的作物品种是一种积极有效的方法。因此,深入研究耐低氮作物的生理及分子机制,对培育高氮利用率作物品种具有重要的指导意义。青稞是我国青藏高原特有的种质资源,因长期对高原环境的适应,对贫瘠土壤也具有较高的耐性。本研究以青稞（昆仑14）和普通大麦（甘啤6）为实验材料,利用生理学、分子生物学、转录组学、遗传学等手段,探究了青稞耐受低氮胁迫的生理与分子机制;解析了低氮胁迫下,生长素参与调节青稞根系发育与碳氮代谢平衡的分子机理;研究了青稞葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（Glucose-6-phosphat-dehydrogenase,G6PDH）,特别是其质体G6PDH3（Plastidic-G6PDH3,Pla-G6PDH3）在青稞响应低氮胁迫中的生理及分子功能。主要研究结果如下:1、青稞响应低氮胁迫的生理及分子机制1低氮胁迫显著降低了昆仑14和甘啤6的株高与地上干/鲜重,增加了根长及生物量。但相对于甘啤6,昆仑14具有更高的相对生长量及根冠比,表明昆仑14的低氮耐受性优于甘啤6。2低氮胁迫下,昆仑14中游离氨基酸、可溶性蛋白和氮百分含量降低,但高于甘啤6;昆仑14和甘啤6硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性降低,但甘啤6降低幅度更大;亚硝酸还原酶（Ni R）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性升高,且昆仑14尤其是根中的增加幅度显著高于甘啤6。说明较高的NO3-同化能力可能是昆仑14低氮耐受的原因之一。3低氮胁迫下,与甘啤6相比,昆仑14硝酸盐转运体编码基因NRT2.1、NRT2.2、NRT2.5、NRT2.8及NAR3.1表达显著上调;同时,昆仑14根中PM H+-ATP酶活性显著增加;15N示踪分析结果证实昆仑14的NO3-获取速率和转运速率分别比甘啤6加快21.5%和33.4%;显示低氮胁迫下,昆仑14具有较高的NO3-吸收、转运能力。4低氮胁迫下,昆仑14和甘啤6叶中叶绿素含量下降,但甘啤6下降幅度更大;昆仑14和甘啤6净光合速率降低,但昆仑14高于甘啤6;同时,昆仑14光合氮利用率显著增加16.6%,而甘啤6无显著变化。表明低氮胁迫下,昆仑14具有较高的光合速率和光合氮利用能力。5主成分分析（PCA）结果表明根长、根干重及根冠比可作为昆仑14耐低氮的主要指标。正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）结果显示根系NO3-及氨基酸含量的VIP值均大于1,可作为区分昆仑14和甘啤6的生理性物质。6转录组结果表明:低氮胁迫下,昆仑14和甘啤6根中分别有1575和1594个差异表达基因（DEGs）。KEGG功能富集分析结果发现昆仑14的DEGs主要富集在苯丙烷生物合成、黄酮和类黄酮的合成、淀粉和蔗糖代谢、氮代谢、植物激素信号转导等途径;甘啤6主要富集在植物病原菌互作、MAPK信号通路、苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代谢、类黄酮的合成等通路;其中,在氮代谢通路中,昆仑14中富集到的硝酸盐或铵盐转运体DEGs高于甘啤6,且大多呈上调表达。此外,在昆仑14中,与生长素信号转导、根系发育及细胞壁扩张蛋白相关DEGs也大都呈上调表达。7采用权重基因共表达网络（WGCNA）方法,构建了两种材料在不同氮浓度下的基因共表达网络,得到了6个与低氮耐受呈正相关或负相关的模块。其中,MEmagenta模块与根长(r=0.93,P=8.0×10–6)、根干重(r=0.96,P=5×10-7)和根冠比(r=0.91,P=5×10-5)呈显著正相关,并对该模块前150个核心基因进行KEGG富集分析,结果显示低氮胁迫下昆仑14可以通过苯丙素代谢、植物激素信号转导、脂质代谢等途径来响应低氮胁迫。其中,与生长素响应相关基因（IAA14、IAA26）及细胞壁合成与修饰相关基因（XTH1、XTH4）等都处于根系形态和氮浓度相关MEmagenta模块的核心位置,对昆仑14根系发育及低氮耐受性起关键作用。2、低氮胁迫下,生长素调控青稞根系形态发育及碳/氮代谢的平衡的分子机制（1）低氮条件下,昆仑14根长显著长于甘啤6,PI染色发现,昆仑14根伸长区细胞长度比甘啤6长12.9%,分生区细胞数目比甘啤6多17.8%。（2）低氮处理下,昆仑14根中生长素含量增加,并显著高于甘啤6;添加生长素运输抑制剂NPA（100μM）能够显著抑制昆仑14和甘啤6根长,分别下降23.2%和30.4%;NO3-吸收能力分别下降18.1%和38.6%,转运活性分别下降27.2%和20.2%。显示低氮条件下,生长素会影响根系发育而影响NO3-吸收和转运能力。（3）低氮处理下,外源NPA也降低了昆仑14和甘啤6地上碳、氮含量百分比,昆仑14中分别降低6.5%、12.3%,甘啤6中分别降低5.9%、6.9%;碳/氮比也显著下降,分别降低15.9%和16.1%。（4）光合参数分析结果显示:低氮处理下添加NPA后,昆仑14和甘啤6光合速率及光系统II（PSII）的最大光化学效率（Fv/Fm）、电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（q P）、PSII实际光化学效率（YII）显著降低,非光化学淬灭系数（q N）增加,显示低氮胁迫下生长素影响了植株的光合效率。蓝绿温和胶电泳结果进一步表明:低氮胁迫可显著降低昆仑14和甘啤6叶片PSII蛋白复合体水平,且甘啤6降低的程度比昆仑14更明显;外源添加NPA后,进一步降低了PSII含量,且PSII蛋白和LCHII含量也显著降低。3、超表达青稞Pla-Hv G6PDH3能增加拟南芥低氮耐受性（1）低氮胁迫显著诱导了昆仑14和甘啤6根中G6PDH活性,特别是Pla-G6PDH,且昆仑14显著高于甘啤6。低氮条件下,添加G6PDH竞争性抑制剂葡糖胺（Glucosamine,Glc N）显著降低了昆仑14和甘啤6 NO3-的吸收和转运速率,同时NRT2.5和NAR3.1转录水平显著下降,且NO3-同化酶NR、Ni R、GS及GOGAT活性都呈降低趋势,说明G6PDH可通过影响氮的吸收同化而影响青稞低氮耐受性。（2）对编码青稞G6PDH（Hv G6PDHs）家族5个基因的蛋白进行进化树分析发现,Hv G6PDH1、Hv G6PDH3及Hv G6PDH4属于质体型,Hv G6PDH2、Hv G6PDH5属于胞质型。组织表达模式分析结果显示Hv G6PDH1主要在初生根、第二叶及花序轴中表达;Hv G6PDH3主要在初生根、不定根和第二叶中表达;Hv G6PDH4主要在第二叶表达;Hv G6PDH2和Hv G6PDH5主要在不定根、花序及旗叶中表达。（3）qRT-PCR结果显示与其它家族基因相比,Hv G6PDH3表达受低氮显著诱导。将Hv G6PDH3在拟南芥中超表达后,发现低氮胁迫下超表达株系（OE-1、OE-2、OE-5）根系的生物量和根长都优于野生型（WT）,且果荚数和单株产量也高于WT,表明Hv G6PDH3超表达提高了拟南芥低氮耐受性。（4）低氮胁迫下,与WT相比,超表达株系（OE-1、OE-2、OE-5）中硝酸盐转运体编码基因At NRT1.5和At NRT2.1表达显著上调;同时,超表达株系根中NR及Ni R活性显著增加;15N示踪分析结果证实超表达株系NO3-获取速率分别比WT加快23.2%、29.3%和30.8%,转运活性分别高出WT 32.9%、37.5%和35.6%;显示低氮胁迫下,Hv G6PDH3的超表达提高了拟南芥的NO3-吸收转运和同化能力。综上所述,低氮胁迫下,昆仑14根长、根系生物量增加,地上部分干鲜重降低幅度都小于甘啤6;昆仑14具有较高的NO3-吸收、转运、同化及光合氮同化能力;昆仑14和甘啤6根中G6PDH参与了NO3-的吸收、转运及同化调节;昆仑14根中Pla-G6PDH3的表达受低氮显著诱导,在拟南芥中超表达Hv G6PDH3可上调At NRT1.5和At NRT2.1转录,增加NO3-吸收和转运能力,提高转基因株系的低氮耐受性;转录组结果显示植物激素、转录因子和细胞壁生物合成相关的DEGs在青稞根系发育和氮代谢中起关键作用。生长素通过调节青稞根系形态发育、光合能力及碳氮代谢平衡等过程正调青稞对低氮的耐受性。