东南景天(Sedum alfredii)作为镉(Cd)和锌(Zn)超积累植物,在农田重金属污染土壤修复中发挥重要的作用。与许多超积累植物一样,东南景天生长周期长、生物量低等特点限制了其在土壤污染修复实践中的应用。因此增加东南景天地上部Cd积累,提高东南景天植物提取效率,对促进东南景天在植物修复中的应用具有积极的意义。植物激素作为植物生长调节剂,在农业生产中被广泛应用,脱落酸(ABA)是一种植物逆境响应激素,多数研究表明ABA可抑制植物对Cd的吸收和积累,缓解由Cd造成的毒害作用。本课题组前期研究发现ABA促进东南景天对Cd的积累,这可能是超积累植物超量吸收和积累重金属的一个特殊机制,但类似研究极少见到报道。本文以超积累植物东南景天为材料,系统分析ABA与Cd对东南景天Cd积累的影响规律,再进一步通过转录组、代谢组和离子组分析技术,从系统水平探索ABA促进东南景天Cd积累的调控规律,相关研究结果不仅为深入揭示东南景天超积累机制研究提供新的思路,同时也为扩展东南景天在重金属污染土壤植物修复实践中的应用奠定基础。本文研究结果如下:(1)ABA对东南景天地上部Cd积累影响存在着剂量效应。在0.1 mg/L至0.5 mg/L ABA处理条件下,0.2 mg/L ABA处理对地上部Cd积累促进最为明显。过低或过高的ABA处理浓度均会削弱促进效果。同时ABA的作用也受Cd处理浓度的影响,只有在100μmol/L Cd处理下,ABA才表现出促进东南景天地上部Cd积累的效应,在过高或过低的Cd处理浓度下ABA均会抑制东南景天地上部Cd的积累。根中内源ABA含量与地上部Cd含量(Pearson correlations=0.52,P<0.05)及地上部生物量(Pearson correlations=0.44,P<0.05)显著正相关。通过对ROS含量的分析发现,外源ABA可能通过影响抗性酶活性影响ROS含量,最终对内源ABA含量产生影响。(2)ABA影响东南景天中已知Cd积累相关基因的表达。通过正交偏回归判别分析(OPLS-DA)及基因表达量与内源ABA含量的相关性分析,发现HMA家族、Hsf A4c、CAX及NAS在ABA影响Cd积累中发挥重要的作用。其中HMA4的作用最为显著,在100μmol/L Cd处理下施用ABA,地上部上调表达2.39倍,根中上调表达23.72倍。推测外源ABA通过调节内源ABA含量影响东南景天地上部Cd积累相关基因的表达最终对Cd积累产生影响,其主要通过将Cd向上转运蛋白由HMA2切换为HMA4,同时将更多的Cd结合于地上部的细胞壁中以促进东南景天地上部的Cd积累。(3)转录组学研究发现在75μmol/L Cd处理下施用ABA在东南景天地上部及根中分别产生389及1588个差异表达基因,在100μmol/L Cd处理下施用ABA分别在地上部及根中产生1107及2625个差异表达基因。通过对差异表达基因集及GO与KEGG富集结果的分析发现,在100μmol/L Cd处理下地上部中细胞壁合成、细胞壁组分及能量代谢相关通路富集。同时发现地上部中较多金属螯合物代谢和细胞壁组分相关基因上调表达。金属转运子方面地上部ZIP1基因上调表达促进Cd向地上部转运。在75μmol/L Cd处理下虽然地上部中细胞壁组分相关代谢通路富集但相关基因下调表达,且地上部Nramp5基因下调表达,根中较多金属螯合物代谢相关基因上调表达。表明在100μmol/L Cd处理下ABA通过促进地上部细胞壁合成,细胞壁组分修饰,金属螯合物合成及能量代谢,同时抑制根中Cd向液泡中转运使更少的Cd在根中驻留,提高其在地上部的区隔化,促进东南景天地上部Cd的积累。而在75μmol/L Cd处理下ABA通过促进Cd在根中的螯合,降低Cd转运蛋白表达量,减少地上部细胞壁组分的修饰,降低地上部Cd的积累。综上ABA在不同Cd处理浓度下对东南景天基因表达模式的影响不同。(4)代谢组学研究中发现ABA对东南景天的代谢水平的影响与转录水平相似。在100μmol/L Cd处理浓度下ABA可通过促进部分同样的代谢途径促进东南景天地上部Cd积累,其中包括:细胞壁合成方面,木质素前体合成途径的上游即苯丙氨酸合成途径富集;而在金属螯合物合成方面,谷胱甘肽代谢途径富集;在能量代谢方面,淀粉蔗糖代谢通路富集,且检测到蔗糖与葡萄糖含量上升。通过比对转录组与代谢组结果分析发现,东南景天中对ABA的响应可能存在时空差异,即在转录组学分析中75μmol/L Cd处理组地上部有较多KEGG通路富集,在100μmol/L Cd处理组根部几乎没有KEGG通路富集;而在代谢组学分析中,在75μmol/L Cd处理组地上部几乎没有KEGG通路富集,但100μmol/L Cd处理组根部有较多KEGG通路富集。由此推断相较于75μmol/L Cd处理的仅在基因转录水平产生响应,100μmol/L Cd处理已经在代谢物水平产生响应,表明对于ABA信号,Cd处理浓度越高,东南景天对其的响应越快,而这一效应可能最终导致了不同Cd浓度处理下ABA对东南景天地上部Cd积累影响的差异。(5)在离子组学的分析中发现,ABA对东南景天体内的离子代谢模式影响较大,其中对二价金属离子吸收的影响最为明显,所有特征二价离子中Cd与Cu存在共转运效应(Pearson correlations=0.33,P<0.05)、与Fe存在共吸收效应(Pearson correlations=0.64,P<0.05),值得注意的是,100μmol/L Cd处理下施用ABA,东南景天根部Fe含量增加了3.89倍,表明Fe可能参与东南景天Cd吸收及转运。同时ABA还可通过促进B、S等元素的吸收,缓解Cd对植物造成的毒害,K离子可能参与了ABA影响的能量代谢过程,而Ca离子可能参与ABA信号转导,促进了东南景天中Cd向地上部的运输。上述结果初步揭示了外源ABA对东南景天地上部Cd积累的作用规律,即外源ABA与Cd共同影响内源ABA的含量,导致东南景天中金属转运蛋白、细胞壁、金属螯合物合成及能量代谢变化,最终影响了东南景天地上部Cd积累。而不同Cd处理浓度下,外源ABA对金属转运子及能量代谢相关通路影响的差异,及其对根与地上部中细胞壁与金属螯合物合成作用影响效应不同导致Cd区隔化部位差异,是不同Cd处理浓度下外源ABA对东南景天地上部Cd积累影响差异的原因。