锌是植物必需营养元素,但过量锌会引起植物毒害。东南景天是一种锌/镉超积累植物,是研究植物锌超积累机制的理想材料。研究东南景天的锌超积累机制不仅为生物强化提供理论基础,还可以补充发展锌营养理论。目前对东南景天的锌超积累机制的研究局限于生理过程及个别转运蛋白的基因功能,缺乏对东南景天锌整体响应的研究。研究东南景天演化过程中的关键演化因子也能丰富我们对东南景天锌超积累机制的认识。鉴于此,本研究使用比较转录组的方法研究超积累生态型东南景天(HE)与非超积累生态型东南景天(NHE)的遗传差异,使用转录组、蛋白组、代谢组和离子组的方法研究两种生态型东南景天地上部与根部在锌处理下的基因表达、蛋白合成、代谢物积累以及离子含量的响应,并结合所有组学的研究结果,综合分析维持东南景天锌稳态的机制。本研究不仅拓宽研究者对东南景天锌超积累机制的认识,还为日后深入研究其锌超积累机制提供了海量生物学信息。具体研究结果如下:1.使用比较转录组的方法,采用Illumina 2500测序平台,对两种生态型东南景天分别测序。共获得了超过9000万条cleanreads。HE鉴定了 149,668个单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms,SNPs)和 12,691 个简单重复序列(Simple Sequence Repeats,SSRs)。NHE 鉴定了 3 19,830 个 SNPs 和 14,428 个 SSRs。使用分支位点模型鉴定了东南景天的18个关键演化因子,分别是RNA聚合酶Rpbl碳端重复序列、28S核糖体RNA基因、蛋白酶体、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、钙调蛋白、calcipressin、核酸转录因子Y、WRKY转录因子、载脂蛋白、组蛋白激酶、受体型蛋白激酶、F-actin加帽蛋白和液泡分拣受体,主要参与转录和翻译过程、蛋白质代谢过程、钙离子通路、胁迫响应过程和信号转导过程。2.使用数字基因表达谱的方法,采用Illumina 2500测序平台,对东南景天进行转录组分析,共获得了 3 17,761条转录本,89,733个差异表达转录本。对每组比较的差异最显著的前100个上调转录本与前100个下调转录本做并集分析,分析发现160个差异显著表达转录本属于DNA修饰、RNA识别与蛋白质合成方面的相关基因,数目占所有差异显著转录本的14.8%;在转运蛋白分类方面,东南景天的ZIP基因家族的差异表达最为显著,HE与NHE相比根部组成型上调1360倍,地上部组成型上调719倍。因此本试验克隆了SaZIP4基因做了详尽的基因功能研究。研究发现HE与NHE的SaZIP4基因都表现出地上部与根部组成型显著上升表达,与转录组测序结果一致,洋葱表皮亚细胞定位试验表明SaZIP4蛋白定位于细胞膜。酵母锌吸收缺陷突变体ZHY3表达SaZIP4后可以恢复其锌吸收缺陷功能,转基因拟南芥突变体zip4-2异源表达SaZIP4后恢复了其锌吸收功能,野生型拟南芥过表达SaZIP4后增加其地上部与根部的锌吸收积累量,因此,SaZIP4是重要的锌吸收转运蛋白。3.采用iTRAQ方法对东南景天进行蛋白组分析,共获得736个蛋白,469个差异表达蛋白。对所有的差异表达蛋白进行注释分析,分析发现15.1%的差异表达蛋白主要参与DNA、RNA、蛋白质基础转录翻译等过程、18.8%的差异表达蛋白参与代谢通路过程,7.7%的差异表达蛋白参与氧化还原过程。4.采用GC-MS与LC-MS两平台结合方法对东南景天进行代谢组研究,共获得346个代谢物,256个差异累积代谢物。所有差异累积代谢物主要集中在三羧酸循环途径、氨酰基-tRNA生物合成过程、氨基酸代谢途径、非饱和脂肪酸生物合成过程、嘌呤代谢途径等。5.使用ICP-MS、ICP-OES与CNS三平台结合方法研究东南景天离子组变化。并整合前面转录组、蛋白组、代谢组数据进行生物学富集分析。结果表明,超积累型东南景天通过降低根部转录水平、降低根部转运蛋白表达水平从而维持合理的锌吸收;同时,提高地上部翻译水平,合成更多与光合作用、抗氧化过程、代谢过程相关的蛋白,并且积累在地上部大量的锌也可能与这些蛋白相结合。超积累型东南景天通过控制合理锌吸收、提高抗氧化能力、提高光合作用效率和维持植物正常代谢从而维持内部锌稳态。此外,碳代谢途径是所有显著差异基因与蛋白富集程度最高的代谢途径,其基因和代谢产物被锌协同调控,与离子共同作用达到稳定平衡。