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氮素(N)是作物生长与产量形成的主要限制因子。然而,过量N肥的施用造成的环境问题日益严重,农业生产上亟需减轻对N肥的依赖。最为有效的解决方法就是培育耐低氮作物品种。因此,开展作物耐低氮的生理及分子机理研究,揭示作物低氮耐性机制,具有重要的理论与实践价值。青藏高原一年生野生大麦(Hordeum vulgare L.subsp.spontneum)是我国特有的种质资源,具有丰富的遗传多样性,对贫瘠土壤有较高耐性。本研究以此为主要试验材料,研究耐低氮的生理与分子机理,主要研究结果如下:1.西藏野生大麦响应低氮胁迫的生理学分析以两个低氮耐性不同的野生大麦基因型XZ149(耐低氮)和XZ56(低氮敏感)为试验材料,并以栽培品种浙大9号(ZD9)为对照,分析了 2mM(对照)、0.2mM(低氮)和0mM(氮饥饿)三个氮水平处理14d后,两个野生大麦基因型氮素吸收、利用方面的生理差异。研究表明,XZ149的低氮耐性明显高于其它两个基因型。首先,在氮胁迫条件下,XZ149具有更强的氮素吸收能力,表现为低氮胁迫下XZ149地上部干物重、总干物重和氮积累量的降幅最小。研究还发现,氮含量(浓度)并不能区分低氮耐性的基因型差异,说明低氮耐性主要与氮的利用有关。其次,XZ149表现出较强的氮素同化或再同化能力,低氮胁迫下其可溶性蛋白含量和硝酸还原酶(NR)活性降幅均小于XZ56,XZ149叶片谷氨酰胺酶(GS)活性增幅大于XZ56;保证了低氮胁迫下有较多的含氮化合物合成。2.基于RNA-Seq技术的西藏野生大麦响应低氮胁迫表达谱分析以两个西藏野生大麦基因型(XZ149,耐低氮;XZ56,低氮敏感)为材料,利用Illumina的RNA-Seq技术分析了根系短时间内(6 h和48 h)响应低氮胁迫(0.2mM)的转录组变化。据转录谱分析结果,共鉴定到1469个差异表达基因(DEGs),包括转运体、转录因子、激酶以及抗氧化胁迫和激素信号调控相关基因。其中,695个DEGs可能与低氮耐性相关,分别具有转运活性、抗氧化活性等,主要参与氨基酸代谢、淀粉和蔗糖代谢以及次级代谢等代谢过程。低氮胁迫下,XZ149比XZ56具有更高的氮素吸收能力和利用效率。XZ149中硝态氮转运体特异而持续更久的高表达以及更加节省能量消耗的氮素同化方式,使其能在缺氮的情况下更高效的吸收氮素,这可能是XZ149耐低氮的重要原因。植物生长素和乙烯响应途径可能也与低氮耐性的基因型间差异相关。本研究系统地剖析了耐低氮野生大麦基因型的转录谱,鉴定到大量低氮耐性相关的候选基因,从而为深入研究西藏野生大麦特异耐低氮机制奠定了基础。3.西藏野生大麦响应低氮胁迫的代谢组学分析利用气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术,分析了两个西藏野生大麦基因型(XZ149,耐低氮;XZ56,低氮敏感)在低氮(0.2mM)处理1d,3d,6d,9 d,12 d,15 d,18 d后根和叶片的代谢组差异。结果发现共有51个代谢产物在低氮胁迫下发生显著变化。主成分分析(PCA)显示,代谢物在不同样本间的差异大小顺序为:组织间(根vs叶)最大,其次是处理间(低氮vs对照),基因型间(XZ149vsXZ56)最小。低氮胁迫对碳和氮分配的影响具有组织特异性。XZ149中氨基酸的节能积累方式和利于根系生长的碳分配方式使之有较高的低氮耐性。此外,低氮胁迫下,XZ149具有较高的产能能力以及较强的维持细胞还原稳、态的能力,这可能也是该基因型表现较强低氮耐性的机制之一。4.西藏野生大麦响应低氮胁迫的离子组分析利用电感耦合等离子发射光谱(ICP-OES),分析了低氮(0.2mM)和正常供氮(2mM)处理18d的XZ149、XZ56和ZD9三个大麦基因型根和地上部离子组差异。主成分分析(PCA)结果显示,低氮胁迫对大麦离子组影响显著,并且基因型间存在差异。研究表明,低氮胁迫对K的影响基本与P相同,即地上部P和K积累增加,根系P和K积累减少。这种影响因基因型而异,三个基因型中对XZ149中P含量影响最小,对ZD9影响最大;K含量以XZ149地上部的升幅最大,而其根系中降幅最小。此外,低氮胁迫显著降低栽培大麦ZD9地上部和根部的Fe元素含量,但对野生大麦地上部和根部的Fe含量影响很小,这表明在低氮胁迫下,野生大麦具有相对稳定的Fe吸收与转运能力。低氮胁迫促进XZ149和ZD9的根部Zn积累,限制其向地上部的运转,并抑制XZ56和ZD9根中的Mn积累。总之,低氮胁迫下耐性较强的基因型XZ149元素变化相对较小,因而维持相对稳定的矿质元素吸收可能是XZ149较高的低氮耐性的重要原因。