盐胁迫与其它类型胁迫最明显的区别是,盐胁迫的影响会贯穿作物的整个生命周期,而其它胁迫类型仅仅影响作物的某一特定时期。作物耐盐性研究的最终目的是提高其耐盐性,最终提高诸多盐碱化土地的利用率。目前,对农作物耐盐性的研究都是在温室中进行的短期胁迫,并仅局限于作物的某一个生育期。因此,研究作物对长期盐胁迫(LSS)的响应机制更具实践价值。而据我们所知,国内外多数学者都更倾向于探究植物对短期盐胁迫处理的响应机制,而植物对长期盐胁迫(LSS)的响应和适应机制知之甚少。本研究选择异源六倍体小麦模式品种“中国春”作为实验材料。将该小麦种子播种于沙子中,然后立即施加NaCl胁迫30天。萌发阶段和幼苗期对植物定居和生存在盐碱地至关重要。在本研究中,小麦从萌发阶段到幼苗期被连续暴露在盐胁迫条件下,充分模拟了天然盐胁迫条件。为了揭示异源六倍体小麦在长期胁迫处理下的基因表达和生理响应机制,我们比较了处理组和对照组的叶片解剖结构、叶绿体超微结构、植物激素、转录组、相容性溶质和无机离子的差异。我们也探讨了耐盐基因在A,B,D亚基因组间的表达分化。主要实验结果包含以下五点:1.叶绿体超微结构。处理组叶绿体中的类囊体密度高于对照组,但对照组植物却具有更多、更大的淀粉粒。我们推测,长期盐胁迫下小麦高密度的类囊体可能产生更多的ATP和NADPH,从而增加能量供应提高小麦对盐胁迫的反应速率。2.生理响应。在长期盐胁迫下,叶片中氨基酸的浓度大幅度增加,而根部则未见增加。相反,根中碳水化合物含量比叶片中的含量高。丙氨酸、脯氨酸、麦芽糖和蔗糖是异源六倍体小麦叶片中主要的有机渗透调节溶质,而根中丙氨酸、果糖、葡萄糖和蔗糖是主要的有机渗透调节溶质。总的来说,氨基酸和碳水化合物在叶片细胞质的渗透调节方面作用相当,而在根细胞质渗透调节中碳水化合物则起着比氨基酸更重要的作用。3.转录组。RNAseq分析结果显示,根和叶中共有69个LEA基因和39个脱水蛋白基因显著上调。我们猜测两者在小麦的盐胁迫响应中可能起重要作用。一方面,LEA和脱水蛋白在防止盐胁迫下细胞脱水和蛋白质聚集中起着重要作用;另一方面,LEA、脱水蛋白会与碳水化合物相互作用,形成细胞内的类玻璃体,从而减慢分子的流动性并降低代谢速率,也有可能限制Na+和Cl-在细胞质中的移动。在长期盐胁迫条件下,碳水化合物浓度以及LEA和脱水蛋白基因表达的共同增加,将导致小麦细胞质中类玻璃体的大量积聚,这将减慢基础代谢过程并减轻离子毒害。4.植物激素响应。长期盐胁迫没有显著影响叶片或根中反式玉米素和二氢玉米素的浓度,却使叶片和根中的ABA浓度增加。此外,小麦叶片中9个ABF(ABA反应元件结合因子)基因同时被上调。ABF基因是ABA信号系统最关键的正效调节基因。ABF基因的上调不仅可以介导气孔关闭,限制植物生长;而且还可以诱导诸多盐响应基因的表达。长期盐胁迫还降低小麦叶片中JA和GA3浓度,增加三个DELLA基因(赤霉素信号途径的抑制基因)和10个JAZ基因(茉莉酸信号途径的抑制基因)表达的上调。5.耐盐基因在亚基因组间(A,B和D亚基因组)的表达分化。我们进一步区分了异源六倍体小麦A、B和D部分同源基因(homeolog)的表达分化,并分析了长期盐胁迫对homeolog表达的影响。我们发现长期盐胁迫对大多数耐盐triad的三个homeolog的表达具有相似的影响。在长期盐胁迫下,大部分耐盐triad的A,B,D三个homeolog共表达,这将发挥一个剂量效应进而贡献异源六倍体小麦强的耐盐性。综合植物激素含量变化及相关基因表达数据,碳水化合物浓度变化及上述LEA和脱水素基因表达的结果,我们认为基础代谢和胁迫适应之间的能量分配可能是六倍体小麦最重要的耐盐机制。在长期盐胁迫条件下,小麦可能通过以下过程将能量从基础代谢转移到胁迫适应中:(1)提高ABA途径来关闭气孔和限制生长;(2)抑制叶片中GA和JA控制的代谢途径;(3)碳水化合物、LEA和脱水蛋白的相互作用产生大量类玻璃体,降低代谢速率。从进化的角度来说,六倍体小麦进化过程中,加倍的耐盐基因很可能被保留在现代小麦中。这些加倍的耐盐基因在六倍体小麦适应盐胁迫过程中可能发挥剂量效应,并且不同拷贝的表达调节机制很可能不同,基因表达调节多样性也许是六倍体小麦广泛适应性的重要遗传学基础。