干旱胁迫是对植物生长发育影响最广泛的非生物胁迫之一,多年生木本植物在其生命周期中往往受到干旱和复水的间歇性影响,造成生物量的降低。杨树是一种重要的经济林树种,尽管其生物量大,但水分的消耗较高,对干旱环境比较敏感。然而因遗传背景的差异,不同杨树基因型对干旱胁迫的适应性和耐受性有着较大不同。尽管目前对杨树耐旱性已有较多研究,但是杨树响应干旱和复水的分子生理机制还不清楚。本研究分析了六种常见杨树基因型的生长特性、水分利用效率、光合特性以及解剖特征,并研究了影响水分利用效率的有关因素;随后以水分利用效率显著不同的两个杨树基因型为研究对象,对其进行干旱胁迫和复水处理。利用光镜和电子显微镜技术、植物生理生化技术以及实时荧光定量PCR技术系统全面地研究了杨树在显微和亚显微结构、生理调节以及转录调控等方面的响应,对杨树适应和耐受干旱胁迫和复水处理的一般规律和差异性进行了总结,主要结果如下:对生长在大田中的六种杨树基因型的生长特性、光合能力、内在水分利用效率(WUEi)、成熟叶的碳同位素组成(δ13C)以及叶和基部茎的解剖特征进行了测定和分析,探索了水分利用效率与光合能力、解剖特征之间的关系。研究发现,在中华长青杨(Populus cathayana)、美洲黑杨(Populus deltoides)、欧美杨(Populus×euramericana)、84K杨(Populus alba×Populus glandulosa)、欧洲黑杨(Populus nigra)和群众杨(Populus popularis)中,中华长青杨的生长最快,WUEi和δ13C最小。欧美杨的生长较快,WUEi和δ13C最大。在六个基因型中,中华长青杨的总气孔密度最大,且与它最高的气孔导度(gs)、最小的WUEi和δ13C相关。同时,WUEi和下表皮气孔密度以及木质部导管腔面积存在相关性。这些结果说明杨树的光合能力、WUEi和δ13C均与叶片、基部茎的解剖特征紧密相关,而生长和WUEi之间有一定的平衡和协调。由此可以推测一些杨树基因型,如欧美杨,可以种植在水分不足的地区,而中华长青杨等更适宜种植在水分充足的地区。对中华长青杨和欧美杨的一年生幼苗进行中度(60%饱和含水量)和重度干旱(40%饱和含水量)胁迫26天后,继续复水处理13天。结果发现,在干旱胁迫下,杨树的株高以及叶片和木质部的解剖结构发生了显著变化。两个杨树基因型的下表皮、栅栏组织、海绵组织以及叶片总厚度均增大,这表明杨树可以通过增加叶厚来提高保水性。同时,干旱胁迫导致杨树木质部导管频率增加,导管腔直径和面积减小,导管分子长度增加,最大导水率基本无变化,可见杨树能够通过调整木质部解剖结构维持稳定的水分运输能力,并且降低木质部发生栓塞的可能。根和叶中的大部分质膜水孔蛋白基因的表达上调,复水之后表达下调。干旱胁迫诱导杨树根和叶中的c ABA水平显著升高,ABA生物合成的关键酶基因NCED3的表达上调高达10倍以上。同时,ABA信号转导通路中的信号分子PP2C在根和叶中的表达水平也大幅提高。干旱导致杨树C和N代谢、同位素δ13C和δ15N的改变。为了适应干旱环境,两种杨树基因型的WUEi均显著提高,从而减小水分散失,维持较高水平的CO2固定。另外,干旱诱导的氧化胁迫促使活性氧产生和清除系统之间建立了新的平衡。这些变化在复水处理之后基本恢复到正常水平。尽管对干旱胁迫和复水处理有相似的适应性,中华长青杨和欧美杨在解剖特征、生理调节以及转录调控水平的响应也各具特点。相比于中华长青杨,欧美杨的组织含水量更高,质膜水孔蛋白基因(PIP)的表达调控更敏感和强烈,基因上调表达的幅度更大,表明欧美杨对水分的细胞间跨膜运输调控更细致灵敏。欧美杨根和叶的总碳含量和淀粉的积累较高,δ13C、δ15N和WUEi高于中华长青杨,可见其对碳和氮的同化和吸收能力更强。同时,欧美杨叶中因干旱诱导的氧化胁迫低于中华长青杨。这些结果表明欧美杨对干旱胁迫的适应性优于中华长青杨,解剖、生理和转录水平的综合调控是杨树应对未来干旱气候环境的重要生存策略。