铝毒和低磷是酸性土壤中限制作物生长的两个主要障碍因素。酸性土壤中活性态铝（A13+）含量较高,会抑制根系生长而影响作物产量。磷是植物生长所必需的大量营养元素之一,但在酸性土壤中,可被植物利用的有效磷含量较低。柱花草是优质的热带豆科牧草,对酸性土壤具有良好的适应性,研究柱花草适应铝毒和低磷的生理与分子机制对培育耐铝毒/低磷作物新品种具有重要意义。本文以两个具有不同耐铝性和磷效率的柱花草基因型为材料,研究柱花草对铝毒/低磷的适应性机制。其中,柱花草TPRC2001-1（Stylosanthes guianensis）为耐铝且磷高效基因型,而Fine-stem（Stylosanthes hippocampoides）为铝敏感及磷低效基因型。在耐铝机制方面,本研究主要研究了铝毒对柱花草根系生长、基因和蛋白表达的影响,有机酸合成和分泌对缓解柱花草铝毒害的作用,以及根尖边缘细胞对减少根系吸收铝从而缓解铝毒害的作用。在低磷胁迫机制方面,本研究建立了TPRC2001-1根系受低磷胁迫的全长cDNA文库,同源克隆和分析了编码磷转运蛋白的基因SgPT1和编码仅含有SPX结构域蛋白的基因SgSPX1,初步分析了柱花草适应低磷胁迫的机制。主要结果如下：1)柱花草耐铝性的基因型差异及其可能的生理机制。在低铝浓度（50μM Al）处理下,柱花草TPRC2001-1与水稻最耐铝毒的基因型XN1相对根伸长量差异不明显,但显著高于Fine-stem;铝处理72h后,三个铝浓度处理对TPRC2001-1与XNl相对根伸长量的抑制程度相近,且均显著低于Fine-stem,说明TPRC2001-1具有与水稻耐铝品种XN1相当的、超强的耐铝能力,而Fine-stem对铝敏感；同时,铝处理显著增加了TPRC2001-1根系苹果酸的合成与分泌,但TPRC2001-1根部铝含量显著高于Fine-stem,说明TPRC2001-1超强的耐铝性是源于促进根系苹果酸的合成,提高TPRC2001-1根系内源和分泌的苹果酸,螫合内外铝离子的综合耐铝机制。2)柱花草TPRC2001-1根系响应铝的抑制缩减杂交文库的建立与分析。TPRC2001-1根系经100μM铝处理24h（短期库）和72h（长期库）后,以铝处理材料为Tester组,不加铝处理对照为Driver组,建立了短期和长期铝处理的抑制缩减杂交文库。分别挑选了200个阳性克隆测序,去除冗余序列后,最终获得了37个EST序列,其中短期库11个,长期库26个。在获得的基因中,代谢相关基因所占比例最大,而与有机酸代谢途径相关的基因MDH等都上调,说明有机酸的合成与（或）分泌与TPRC2001-1的耐铝性密切相关。3)柱花草TPRC2001-1根系铝响应蛋白的双向电泳与质谱分析。短期（24h）100μM铝处理,对柱花草根系蛋白的表达影响不明显；而长期（72h）100μM铝处理调控了23个蛋白点的表达,包括13个上调和10个下调根系蛋白点。定量PCR分析发现,铝处理增强了约50%的编码上调蛋白的基因在转录水平上的表达,而抑制了约40%编码下调蛋白的基因表达,表明柱花草TPRC2001-1根系铝调控表达的蛋白可能受到转录水平和翻译后水平的共同调控。柱花草根部受铝调控表达差异的蛋白点中碳代谢组所占最大比率,主要是对TCA循环代谢过程的调控,过程中伴随着苹果酸的代谢,其中苹果酸酶（ME）的蛋白表达与基因表达,苹果酸的合成和分泌,以及耐铝性具有很好的相关性,因此推测苹果酸酶可能在柱花草TPRC2001-1耐铝中起到重要作用。4)柱花草苹果酸酶（SgME1）基因功能分析。通过同源克隆,获得2173bp的SgME1cDNA全长序列,NCBI登录号为JX164253。同源进化树分析表明,SgME1与拟南芥AtME2（AtNP196728）相似性最高。利用洋葱表皮细胞异源表分析发现,SgME1定位于细胞质上。同时,在酵母和菜豆毛根中超量表达SgME1能够增加酵母细胞和菜豆毛根中苹果酸的浓度,降低酵母对铝的敏感性和提高菜豆毛根在铝处理下的根生长,说明SgME1在酵母和菜豆耐铝过程中发挥了重要的作用。综上所述,我们首次发现柱花草TPRC2001-1的强耐铝性主要是通过在铝毒害下,增强一个新型的苹果酸酶基因SgME1的表达,促进苹果酸合成,形成内源解除铝毒害为主,提高苹果酸分泌为辅的综合解铝毒机制。5)TPRC2001-1根尖剥落物的耐铝作用。在正常生长条件下,柱花草根尖会形成剥落物,由类边缘细胞、游离的边缘细胞及其分泌的粘着液共同组成。本研究结果表明,具有强耐铝性的TPRC2001-1幼苗根尖在铝处理下能形成较多的剥落物,吸附较多的铝,减少根尖对铝的吸收。铝处理的TPRC2001-1根尖剥落物能保护分生区,减轻铝毒对根尖细胞生长的危害。同时该剥落物不能包裹过渡区,不影响根尖铝信号的传导及其它耐铝途径的启动。说明,根尖剥落物的形成可能是耐铝基因型TPRC2001-1幼苗解铝毒的重要机制。6)柱花草受低磷调控的SgPT1和SgSPX1基因克隆与表达分析。本研究构建了TPRC2001-1根部低磷全长cDNA文库,同源克隆了编码磷转运蛋白的基因SgPT1和编码仅含有SPX结构域蛋白的基因SgSPX1。结果表明,SgPT1全长cDNA为1994bp,编码537个氨基酸残基,蛋白分子量为59kD；SgSPX1全长cDNA为1324bp,编码292个氨基酸残基,蛋白分子量为33kD。同时,低磷处理显著增强了SgPT1和SgsPX1在TPRC2001-1根部的表达,暗示其可能参与了柱花草适应低磷胁迫的过程。综上所述,本研究从生理、转录组学和蛋白组学三个方面综合解析了柱花草耐铝的生理与分子机制；并结合对柱花草耐低磷的生理分子机制研究,综合解析了柱花草对酸性土壤的适应机制；为通过遗传改良途径培育更适应酸性土壤的作物品种（材料）提供了理论依据。