铝（Aluminum,Al）在酸性条件下被活化,从而会显著抑制植物生长和产量。目前,随着全球土壤酸化问题日益加剧,铝毒害成为制约农作物产量提高的主要限制因素之一。因此,植物响应铝毒害的作用机制研究逐渐受到广泛关注。木本植物显示出更强的应对铝毒性胁迫的能力,木本植物对铝的耐受性比草本植物高50-1000倍。有研究表明,镁离子(Mg²⁺)可以缓解铝对某些草本植物根尖的毒性。然而,无论在草本植物还是木本植物中,镁对植物铝毒性的响应分子机制仍然是不清楚的。因此,本论文主要以能够抵抗高浓度铝毒性的杨树为研究材料,来阐明镁对缓解铝毒性的分子机制,为植物铝抗性机制提供新的证据支持,并为酸性土壤上镁高效植物的耐铝特性提供一定的理论依据。镁（magnesium,Mg）是生物生长发育必需的核心营养元素之一,也是高等植物细胞中最丰富的二价阳离子,并且Mg的特殊理化性质也使其在生物体内的转运方式显得尤为重要。Mg²⁺在植物生长发育中起着至关重要的作用,是植物生长和繁殖所必需的大量营养元素,其在植物中的功能实现主要与其与亲核配体相互作用的能力有关。Mg²⁺是叶绿素分子的中心原子,是核糖体聚集的桥接元素。此外,该阳离子还对酶的活化以及ATP的形成和利用有很大影响,调节了细胞内很多酶的活性以及参与维持细胞膜的完整性和稳定性。镁营养的缺乏会导致植物产生严重的生理紊乱,其会抑制叶绿素合成和生物质分配,植物激素调节失衡,使得脉间萎黄,抑制根和叶的生长,导致植物形态和生理异常。铝是大多数土壤中普遍存在的成分,其对植物根系的毒性是高酸性土壤上限制农作物产量的主要因素。在我国南方土壤多呈酸性,进而导致土壤富铝化现象显著,游离的铝离子则成对植物根系生长造成严重伤害。铝（Al）毒性主要表现为三价铝离子(Al³⁺),Al³⁺具有很高的根际毒性,可通过生理损伤抑制根伸长,对植物中养分的吸收运输过程产生强烈的抑制作用。在风化强度及降雨量大的地区,由于淋溶作用土壤中的镁会大量流失,同时又因为铝的大量活化,该地区的植物体内钙镁的积累受到显著影响。所以在土壤呈酸性的条件下,铝毒引起的根部损害将导致镁营养吸收的缺乏,从而对植物生长产生更严重的影响。毛白杨（Populus tomentosa）为杨柳科、杨属落叶大乔木,作为木本模式植物,其优点为根系发达、枝叶繁茂,且生长迅速。毛白杨对逆境环境更为敏感,适合抗逆抗病研究。杨树可以耐受高浓度的铝胁迫,先前的研究表明,镁离子或生长素可以减轻铝对某些草本植物根尖的毒性。然而,无论在草本植物还是木本植物中,镁对植物铝毒性的减轻机制仍然是未知的。能够抵抗高浓度铝毒性的杨树是阐明镁对铝毒性的缓解机制的理想模式木本植物。本研究以生长迅速,扩繁简易,遗传背景相对简单的毛白杨为材料,以期发现镁元素在杨树根尖抵抗铝毒胁迫中发挥的生理作用,为植物铝抗性机制提供新的证据支持,并为酸性土壤上镁高效植物的耐铝特性提供一定的理论依据。基于以上信息,本研究在高浓度Al毒性胁迫下向杨树提供了不同浓度的Mg,进一步对比在在不同Mg的供应下,Al毒性对杨树根系的生长带来的影响。具体通过根系生长率,氧化酶活性,有机酸的分泌等进行生理学表征。同时,通过电生理分析,荧光染色等方法检测了根表面的pH梯度,Mg和Al从根尖吸收的情况。此外,对于不同处理条件下的根系进行转录组学和qRT-PCR分析。根据组学分析及相关基因的定量分析,我们也对生长素的分布以及生长素在杨树根尖的极性转运的动力学特征进行了检测。最后,通过酵母和拟南芥突变体中的功能验证来表征参与Mg转运的关键基因在应对Al毒胁迫时所发挥的功能。（1）在本研究中,我们发现充足的Mg供应减轻了高浓度Al对毛白杨根系生长的抑制作用。在Al处理48小时后,与对照组相比,缺Mg处理的杨树根的相对伸长仅为约20%,而Mg供应充足的处理中杨树根的相对伸长为35%。尽管在处理初期由于Al的毒性导致根系伸长率快速下降,但是由于Mg的充足供应,其根系伸长率逐渐恢复到到正常水平。与此同时,杨树根系对于两种离子的吸收与积累也在不同处理中显示出了较大的差异性,实验结果表明Mg的存在显著阻止了Al在植物根系中的积累,而Al的毒性也导致杨树根系对Mg的积累被抑制。（2）转录组测序结果发现,在Al处理后,Mg的充足供应丰富了与细胞壁有关的差异表达基因,主要包括细胞壁的结构和成分,同时大多数与细胞壁修饰有关的基因也被差异表达。此外,与细菌CorA镁离子转运蛋白具有一定同源性的杨树Mg转运基因家族编码蛋白（MGT）,与有机酸分泌相关的多药和有毒化合物排除基因家族（MATE）,一些氧化酶基因（POD,IAAO）,以及生长素极性运输载体基因（AUX,PIN）与响应由Mg介导的响应Al毒胁迫密切相关。同时,大量的生长响应蛋白和生长素响应因子的相关基因在几种处理中显示出了不同的空间表达模式和表达特征。随后通过qRT-PCR对选取的一些相关基因进行的定量分析,结果显示与生长素极性转运蛋白相关的基因在Mg介导的缓解Al毒对杨树根系抑制的过程中发挥了积极的作用。我们的数据还表明,木本植物不同于Mg介导的草本植物中Al诱导的柠檬酸盐渗出的增加。在铝胁迫下,不同的镁供应量不会导致柠檬酸盐分泌的显著差异。（3）镁离子促进了杨树根表面的pH梯度的变化,使根过渡区表面维持在一个相对碱性的条件下,从而阻止了铝对根伸长的毒性。在实验中我们使用了一种含有可以启动应答体内生长素信号的启动子DR5的转基因杨树植株:通过DR5启动子启动GFP报告基因的表达来检测根尖中的生长素分布。结果表明,Al的毒性抑制了极性生长素在根过渡区的运输和分布,但由于Mg的充足供应而得以部分缓解。使用拟南芥生长素转运蛋白突变体pin2的进一步电生理学实验表明,Mg通过基于PIN2的极性生长素转运来调节过渡区中的根表面碱化,从而减轻了铝对植物的进一步的毒害作用。（4）为了验证根表面pH的变化是否与H⁺-ATPase活性的变化有关,我们在四种条件下分别测量了H⁺-ATPase的活性。与对照组相比,Mg的缺乏和Al毒胁迫会导致H⁺-ATPase活化的异常增加。当同时施加两个胁迫时,异常激活的程度也增加了。A1会抑制PIN外排载体的活性,并导致根过渡区细胞内胞质游离IAA的大量增加,这将导致H+-ATPase的活化和该区域中的细胞壁酸化。在Mg供应充足的条件下,根部过渡区细胞中质膜H⁺-ATPase的活性将维持在正常范围内。然而,Mg的缺乏会导致根部过渡区细胞内胞质游离态IAA的大量增加,这会导致质膜H⁺-ATPase活性的增加,从而导致根部表面酸化,进而加剧Al对根的毒性。（5）最后,我们还测量了过氧化物酶和吲哚乙酸酯氧化酶的活性,它们在维持植物生长素的体内平衡中起着重要作用。我们发现在Mg供应充足的条件下,IAAO和POD的活性将会保持在正常状态,过量的IAA会被IAAO/POD系统氧化和分解。Mg缺乏的情况下,IAAO和POD的活性显著下降,植物根部也容易积聚过多的游离态IAA^-,进而导致该区域H⁺-ATPase的活化和细胞壁酸化,从而增强了Al的毒性,抑制根的生长。本研究表明,Mg促进极性植物生长素的运输和分布,改变了木本植物杨树的根系细胞质膜质子泵的活性,从而导致根表面pH调节升高,并进一步减轻Al的毒性。本论文的研究阐明了Mg减轻高浓度Al对植物（尤其是木本植物）的毒性的机制。