钾是高等植物生长发育所必需的大量元素。在我国,土壤普遍缺钾的状况仍未得到有效解决,已经成为影响作物产量的限制型因子之一。西瓜[Citrullus lanatus (Thunb.)Matsum.&Nakai]是非常重要的园艺作物,栽培面积占世界蔬菜栽培总面积的7%,并且其生长发育需要大量的钾元素。本研究利用西瓜进行了种质资源评价、钾效率差异材料获得、根系转录组对比分析等系统性工作,对阐明钾高效基因型对低钾环境的适应性机制和西瓜钾营养高效遗传改良提供了大量的基础信息和重要的线索。本研究的主要结果如下：1.以64份西瓜基因型为供试材料(包括26份主栽西瓜品种,11份商业野生西瓜砧木,27份野生西瓜资源),分别在正常供钾(6mM K+)和低钾胁迫(0.1mM K+)下开展西瓜种质资源的钾效率评价工作,并建立了苗期钾效率的评价方法：①依据植株长势进行聚类分析；②以相对地上部干重和相对地上部钾浓度为参考指标,以95%置信度下的置信区间的上下限作为分级标准,对长势相近的植株进行钾效率分级；③利用钾吸收量和钾利用指数验证分级结果。结果表明,无论在正常供钾和低钾胁迫下,64份西瓜材料的地上部干重、地上部K+浓度、钾吸收量和钾利用指数都具有显著的基因型差异；最终筛选鉴定出的4个钾高效基因型均为野生西瓜,4个钾低效基因型均为栽培西瓜。2.以钾高效基因型“勇士”(YS)和钾低效基因型“早佳”(8424)为供试材料,研究了钾饥饿对植株生长、矿质营养(k+、Mg2+、Ca2+离予浓度)、气体交换参数和高亲和性良转运体基因Cla012760的相对表达量的影响,并对两份材料根系钾吸收动力学参数进行了分析。结果表明,钾饥饿120h后,YS较之8424具有更好的对低钾胁迫的适应能力。YS更为发达的根系,对根际低浓度K+更好的亲和能力,心转运蛋白基因更高的表达丰度是其表现出较高的钾吸收效率的原因；YS能够更有效地利用Mg2+和Ca2+代替K+,这能够在一定程度上解释YS较高的钾利用效率：而YS更好的气体交换参数和植株生长则是YS较高钾利用效率的表现形式。3.利用RNA-Seq技术,对YS和8424在钾饥饿(O mMK+)早期(6h)和后期(120h)的根系转录组进行了研究。两份材料根系在钾饥饿下的转录组差异可以分为两类：转录组对钾饥饿的不同响应(钾饥饿和对照间的转录组差异)和转录组的背景差异(非胁迫下YS和8424间的转录组差异)。钾饥饿6h后,在YS和8424根系分别检测到了813个(332个上调表达、481个下调表达)和2347个(1161个上调表达、1186个下调表达)钾饥饿响应表达基因。钾饥饿120h后,在YS和8424中分别有248个(58个上调表达、190个下调表达)和248个(176个上调表达、72个下调表达)钾饥饿响应表达基因。YS和8424在钾饥饿早期具有相似的调控和应答途径；而在胁迫后期,8424和YS的转录组则表现出对钾饥饿截然不同的响应特征。4.通过分析跨膜运输相关的钾饥饿响应基因,我们发现西瓜根系心运输系统在钾饥饿早期和钾饥饿后期有着不同的应答和调控模式。对于AKT1钾通道,SYP121-KC1-AKT1调控网络主要作用于钾饥饿早期；随着胁迫时间的延长,CBL-CIPK-AIP复合体开始调控AKT1的活性。对于HAK5高亲和性钾转运体,RCI3-RAP2.11-HAK5调控网络仅作用于钾饥饿的早期,H+-ATPase5的调控作用贯穿了钾饥饿的全过程。液泡膜钾通道TPKl基因仅在钾饥饿早期上调表达,介导心从液泡内的释放。在钾饥饿后期,与胁迫和防御反应相关的基因多在YS中下调表达,而在8424中上调表达,这些基因包括乙烯和茉莉酸合成与信号转导相关基因、受体蛋白激酶基因、钙信号相关基因、AP2/EREBP、WRKY和MYB转录因子、木质素合成相关基因以及胁迫响应相关基因。5.YS和8424根系转录组的背景差异表明,绝大多数与矿质元素运输,乙烯和茉莉酸代谢,信号转导,MYB、WRKY、bHLH、AP2/EREBP等参与胁迫响应的转录因子,以及胁迫相关的基因都在YS中高量表达。在钾饥饿后期,74%的YS下调表达基因在非胁迫条件下就有较高的基础表达量,这意味着即使这些基因的表达受到抑制,仍然能够保持与在8424中相似的表达水平。6.为后续研究筛选出了29个西瓜耐低钾的候选基因,并总结出了YS适应低钾胁迫的分子生理模型：YS根系发达,心转运蛋白基因表达丰度高,对根际低浓度贮的亲和能力好,且能有效利用Mg2+和Ca2+代替K+；YS能够在非逆境下高量表达很多抗逆相关的基因,而在长期低钾胁迫下能够下调表达与胁迫响应和防御反应相关的基因,从而使更多的能量被根系生长所利用,而更强大的根系有助于YS更有效地吸收K+,从而逐渐适应低钾胁迫。