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随着工农业的快速发展,工矿业“三废”的排放以及农药化肥的长期大量施用,土壤耕作层中的铅等重金属含量也不断增加,这不仅严重影响玉米的正常生长和发育,同时也通过食物链的传递危及动物和人的健康。玉米在全世界范围内广泛种植,是一种重要的粮食作物,除籽粒外,其茎叶也是一些地区牲畜的青贮饲料重要来源。同时,玉米生物学产量较高,极有潜力成为新型土壤修复植物。植物通过一系列的生理,细胞和分子过程响应,最终在胁迫不利条件下进行生存。然而,很少有人研究玉米在Pb胁迫下的表观遗传水平调控机制和分子机制。在我们前期的研究中,以一定Pb浓度筛选玉米自交系,鉴定出自交系178和9782分别为高富集Pb和低富集Pb材料。为此,我们通过玉米自交系9782根系Pb胁迫下比较DNA甲基化动态变化分析和转录组动态分析,从而找到应对Pb胁迫的相关候选基因。同时,为了进一步鉴定Pb富集相关的重要候选基因和代谢途径,利用自交系178根系在Pb胁迫下,进行基因组表达谱分析。这些结果将拓宽我们对玉米根系在Pb胁迫下不同生长发育时期的分子水平和细胞效应的诠释,也为今后研究在重金属污染条件下玉米以及其它谷类作物的根系生长奠定一定基础。主要结果如下：1.为了进一步了解玉米在重金属Pb胁迫下抗氧代谢机制和脂质过氧化作用,通过不同基因型玉米材料178,9782和组配杂交种F1在3 mM Pb(NO3)2苗期水培环境下,比较分析三个材料0-192 h不同时间段根系的生理生化差异。结果表明,Pb胁迫下根的伸长生长和毛根数量都急剧减少。自交系178根系相关性状要低于自交系9782和杂交种Fl,但根系相对活性178和F1都高于9782。MDA含量178和F1却低于9782。由于通过应力状态引起的脂质过氧化作用,可以清除和解毒的SOD,POD和CAT保护酶。SOD酶活性178明显高于其它两个材料。POD酶活性178和F1高于9782。当胁迫至96h时候,CAT酶活性178也明显高于其它两个材料。2.采用甲基化DNA免疫沉淀测序技术(MeDIP-SEQ),对玉米根系中全基因组DNA甲基化模式进行研究。通过对Pb低富集玉米自交系9782对照和不同处理时间段MeDIP-SEQ结果表明,平均甲基化密度最高的是CpG岛,其次是基因间隔区域。在基因内,内含子的甲基化密度高于编码区和外显子。在四个样本中总共找到3857个与甲基化相关的基因,其中处理K2,K3和K4分别与对照Al相比差异甲基化基因数量分别为1,805,1,508和1,660。进一步分析表明,在三组对比研究中(K2 Vs.A1,K3 Vs.A1,K4 Vs.A1),总共有超过140个甲基化基因发生改变。其中主要包括一些关键的胁迫应答转录因子和蛋白质,如MYB、AP2/ERF结构、bZIP类、丝氨酸-苏氨酸/酪氨酸蛋白、三角状五重复蛋白、RING锌指蛋白、F-box蛋白、富含亮氨酸重复蛋白以及三十四肽重复蛋白等。3.在对低富集自交系9782的RNASeq测序研究中,总共约98 M reads用于基因结构及多态性分析,从而鉴定玉米根系重金属Pb胁迫下的转录丰度。在玉米根系Pb处理的四个处理时间点0 h、12 h、24 h和48 h分别鉴定出了17,707、17,440、16,998、16,586个基因,其中在这四个时间点表达的基因数分别有2,825、2,626、2,161、2,260个。同时,基于转录组测序(RNA-Seq)数据,进一步探究在低Pb胁迫下玉米根系不同时期的转录组变化,共鉴定出了384个差异表达基因(log2Ratio≥1,FDR≤0.001)。其中,在四个不同处理时间发现了36个显著差异表达基因,随机挑选了12个进行qRT-PCR验证。本研究表明在玉米根系Pb胁迫不同处理时间发现响应外界刺激的基因45个,与胁迫有关的42个,与蛋白质代谢和结合有关的基因分别为164和224个。此外还发现了许多转录因子家族在不同发育时期可能起着重要的调节作用,例如bZIP,ERF和GARP等。4.在对高寓集Pb自交系178的Pb胁迫DGE测序后,共获得约11M cDNAtags,其中处理和对照clean tags分别为4,665,539和4,936,038。与对照相比,Pb胁迫下有2379和1832个基因分别是上调和下调表达,其表达量都超过对照的五倍。所有上调或者下调表达的基因都与细胞过程和信号、信息存储和处理、或者代谢功能相关。Pb胁迫下,这些涉及翻译后修饰、蛋白质周转、分子伴侣、信号转导、糖类转运与代谢以及脂质运输和代谢等功能的差异表达基因相对于对照均有显著改变。此外,包括核糖体、光合作用和暗反应在内的七条代谢途径都受到显著影响,处理与对照分别有1,181,234,211,872表达基因与之相关,另外有43个差异表达基因参与这些代谢通路。核糖体通路显著上调表达可能揭示178在Pb胁迫下其耐受性的一个重要机制。漆酶转录物和金属离子转运的急剧增加可能与该自交系具有超富集Pb的能力有关。