土壤重金属污染已成为全球关注的环境问题之一,绿色、低成本的植物修复逐渐成为国内外的研究热点。工业油料植物蓖麻(Ricinus communis L.)因其生长迅速、生物量大,对多种重金属污染具有较强的耐受性,可同时兼顾经济效益与生态效益,而成为修复重金属污染土壤的理想材料。本研究以污染范围较广,对人类健康和动植物生存危害较严重的Pb及其伴生金属Zn为胁迫因子,观测Pb、Zn单一和复合胁迫下蓖麻根形态构建和组织结构、叶片形态结构变化特点;分析Pb、Zn及主要营养元素的吸收积累特性,了解其对Pb、Zn的吸收、转运及积累潜力;分析光合系统、抗氧化酶系统及渗透调节系统的变化,探讨蓖麻对Pb、Zn胁迫的耐受机制;运用表达谱分析Pb、Zn胁迫下的基因差异表达,探究关键基因的功能与行为,进一步了解蓖麻耐受重金属的分子机理,为耐受基因的挖掘奠定基础,主要研究结果如下:1、Pb、Zn单一和复合胁迫可显著抑制根系活力及根系生长,导致细胞分裂和伸长降低。相同浓度下,根系生长对Zn胁迫反应更敏感,受到的抑制作用较大,例如,Zn600处理组幼苗期根系总长度和主根长为2.72cm和1.42cm,根体积和根表面积为0.073cm~3和1.604cm~2,较同浓度Pb单一处理组分别下降了92.67%、67.95%和63.32%、66.25%。Pb、Zn复合胁迫对根系生长的抑制作用为累加效应,幼苗期植株的总根长和主根长在Zn600+Pb600处理组中出现最小值,分别为1.5cm和0.9cm,较对照组显著下降了 98.97%和95.6%。综合分析,不同胁迫处理对根系形态指标的影响从小到大依次为Pb<Zn<Pb+Zn。2、Pb、Zn单一和复合胁迫下,蓖麻对Pb、Zn的吸收转运存在差异。蓖麻各器官Pb、Zn含量随胁迫浓度的增加而增加,Pb主要累积在根部,Zn主要转运到地上部分。单一处理浓度为200mg/kg时,成熟期植株Zn转运系数达到最大值,为2.93,而Pb转运系数仅为0.35。低浓度Pb单一处理对蓖麻的生长及生物量积累有促进作用,Pb200处理组中植株地径、株高分别达到最大值,分别为5.81mm和29.48cm,较对照组增加了 3.6%和3.8%。成熟期植株地上和根系生物量亦在Pb200处理组中达到最大值,较对照组分别增加了 28.68%和5.49%。高浓度Pb、Zn单一胁迫、Pb、Zn复合胁迫均会抑制植株生长及生物量积累。相关分析表明,植株除地上部分Pb含量与其营养元素P、K含量呈极显著正相关外,根系Pb积累量、地上及根系Zn积累量与P、K积累量呈不显著负相关。植株体内Pb积累量与N呈负相关关系,而Zn积累量与其呈正相关关系。3、单一 Zn和Pb、Zn复合胁迫对根尖形态结构产生了影响。根冠细胞体积变小,细胞排列不规则。根尖分生组织细胞体积变小、着色变深,排列不规则。表皮和外皮层细胞的细胞壁木栓化程度加重,薄壁细胞体积变小,胞内结晶颜色变深,内皮层及中柱鞘细胞细胞壁木栓化变厚。叶片变薄,栅栏层组织厚度减小,细胞体积变小、排列疏松,海绵层组织厚度增大,薄壁细胞数量、导管数量减少。相关分析表明,Zn处理浓度与上表皮、栅栏层厚度及栅海比呈极显著负相关,与海绵层呈极显著正相关。4、Pb、Zn单一胁迫浓度≥400mg时,对叶绿素含量有明显的抑制效应,单一Pb处理浓度为600mg/kg时,Chla、Chlb及总Chl含量分别较对照组下降了9.12%、39.73%及19.53%,Zn600+Pb600处理组重,上述指标较对照组分别减少了 73.49%、87.11%和78.12%。各处理组中Pn、Gs及Tr变化趋势与叶绿素含量变化基本一致,呈先升后降的变化趋势。随着浓度的增加,蓖麻Pn下降,而Ci上升,光合作用减弱主要是非气孔因素所致。F0、Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、ETR均随胁迫浓度的增加呈显著下降趋势,说明Pb、Zn导致了蓖麻PSⅡ反应中心的破坏。Pb、Zn胁迫导致蓖麻叶片细胞质膜透性增大,膜质过氧化作用加剧,低浓度的Pb、Zn处理使蓖麻体内的POD、CAT活性水平升高,高浓度Pb、Zn胁迫下,抗氧酶活性均显著下降。此外,Pb、Zn胁迫诱导了脯氨酸和可溶性酚含量显著上升,脯氨酸含量上升,渗透势降低,可促进细胞吸收,在一定程度上提高植株对重金属的耐受力。5、对CK及600mg/kgPb、Zn单一处理下的蓖麻根系进行RNA-Seq转录组测序,均产生了 5500万条高质量clean reads,将转录组分析产生的Unigene进行差异基因筛选,与CK相比,Pb处理组中有1213条差异基因,其中864条为下调表达差异基因,368条为上调表达差异基因。Zn胁迫下,蓖麻根系有3806条差异基因表达下调,1918个差异基因表达上调。Pb处理组表达下调的864条差异基因中,有745条基因也在Zn处理组中下调表达,Pb处理组中上调表达的368个基因中有215个基因在Zn处理组中上调表达,同时19个基因在Zn处理中下调表达,其他上下调基因之间并没有重合。通过GO富集分析,发现蓖麻在受到Pb、Zn胁迫时,对胁迫作出的响应主要发生在细胞膜及细胞内部组分,说明蓖麻组织及器官受到Pb、Zn等重金属胁迫时,蓖麻会通过改变细胞组分、酶的催化活性、对金属离子的转运功能以及体内多种代谢过程协同来适应重金属的胁迫环境。Pb、Zn处理下差异表达基因KEGG富集表显示,Pb、Zn处理下前20条pathway中,都会富集到苯丙烷的生物合成(phenylpropanoid biosynthesis)、ABC 转运体(ABC transporters)和谷胱甘肽代谢(Glutathione metabolism)过程。其中Pb、Zn处理注释到苯丙烷的生物合成途径基因分别有34和100个,ABC转运相关的途径基因数分别为5和14个,谷胱甘肽代谢途径分别为8和30个。这些途径表明Pb、Zn处理可影响到蓖麻的形态、重金属转运及重金属耐受性等相关生理过程。