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铝(Al)毒是酸性土壤中制约作物产量的主要因子,明确作物耐铝生理与分子机制,可为培育耐铝作物品种和制订抗铝栽培技术提供理论指导。大麦是全球普遍种植的主要禾谷类作物,对铝毒极为敏感。挖掘大麦耐铝种质与基因,是大麦耐铝育种取得突破的前提。在大麦中研究最为透彻的耐铝机制是柠檬酸转运子HvAACT1介导的铝毒排斥机制。本研究通过克隆拟南芥和水稻关键耐铝转录因子AtSTOP1/OsART1在大麦中的同源基因HvATF1(Al-tolerance Transcription Factor 1)及其大麦基因组中的同源基因HvATF2,并利用大麦遗传转化实现基因沉默表达(RNAi)或过量表达,研究了这两个基因在大麦铝胁迫响应中的作用。同时,鉴于前期研究在西藏野生大麦中鉴定到铝毒耐性强的种质并发现根系有机酸分泌不能解释其耐铝毒的事实,利用小RNA测序技术分析比较了耐铝西藏野生大麦XZ29与铝毒敏感大麦栽培品种黄金希望(Golden Promise)在铝胁迫下的miRNA表达谱差异,以初步揭示西藏野生大麦耐铝性强的分子机理。主要研究结果如下:1.大麦铝胁迫调控基因HvATF1的克隆与功能研究克隆了耐铝重要基因AtSTOP1/OsART1在大麦中的同源基因HvATF1。HvATF1在大麦不同组织中表达未见明显差异,且不受铝胁迫诱导。亚细胞定位和酵母转录激活实验表明,HvATF1是定位于细胞核上且具有转录激活能力的转录因子。利用大麦遗传转化体系获得HvATF1基因RNAi干涉株系,发现沉默HvATF1降低大麦耐铝性,但并不影响耐铝重要基因HvAACT1的表达。基于RNA测序技术比较RNAi植株与野生型的转录组,结果表明与野生型相比,RNAi植株中共有806个差异表达的基因,其中64个基因在对照与铝胁迫下表达均有差异,因此视为HvATF1下游调控候选基因。部分候选基因与其他植物耐铝基因同源,间接表明HvATF1具有潜在的耐铝功能。2.大麦HvATF2基因的克隆与功能研究从大麦基因组中克隆到HvATF1的同源基因HvATF2。无铝毒胁迫(对照)条件下,HvATF2在大麦不同组织中表达没有差异,在根尖和基部根中受铝胁迫诱导。与HvATF1相比,HvATF2表达量极低。亚细胞定位结果显示该基因位于细胞核上,酵母转录激活实验表明其具有转录激活能力。与野生型相比,铝胁迫下HvATF2过表达转基因系根尖苏木精染色程度和根系细胞汁液、细胞壁铝含量没有显著差异。此外,大麦耐铝重要基因HvAACT1、HvATF1和HvATF1下游调控候选基因在HvATF2过表达植株中表达上未见有差异。以上结果说明,HvATF2没有缓解大麦铝毒的作用。3.西藏野生大麦与栽培大麦根系响应铝胁迫的miRNA鉴定西藏野生大麦XZ29耐铝性明显强于栽培大麦品种Golden Promise,但两个基因型HvAACT1表达水平和柠檬酸分泌量并无差异。以这两个基因型在对照和铝胁迫条件下的根系为材料进行小RNA测序,并利用生物信息学分析和降解组测序方法鉴定miRNA靶基因,结果发现共有50个miRNA响应大麦铝胁迫,其中XZ29和Golden Promise分别有41和29个,20个为两基因型所共有。通过比较两个基因型miRNA表达谱差异,发现XZ29中miR319和PC-miR1上调表达,导致根部细胞增殖与细胞壁修复活性增强,由此推测这可能是其耐铝性较强的主要原因之一。