胡杨(·Populus euphratica Oliv.)是杨柳科杨属的落叶乔木,主要分布在干旱荒漠地区,具有叶形多变的生物学特性,主要有披针形、菱形、卵圆形、锯齿卵圆形和肾形等多种叶形,因此,被称为异叶杨。幼龄胡杨的叶片主要为披针形叶,随着树龄的增加,叶形变异明显。成年树的树冠上部出现卵圆形叶和锯齿卵圆形叶,树冠下部仍以披针形叶为主。解剖学研究表明,从披针形叶到锯齿卵圆形叶,叶片逐渐趋于旱生植物的解剖特点。因此认为,胡杨的异形叶性是其长期适应环境荒漠化变化的结果,具有重要的生物学意义。由此推测,胡杨多态叶的形成与水分胁迫及次生代谢产物积累等代谢有关,是基因适应环境变化的选择表达结果。在前人研究的基础上,本论文以胡杨披针形、卵圆形和锯齿卵圆形3种典型的叶片为研究对象,采用叶绿素荧光和PV曲线等植物生理研究技术,对多态叶形成的生理生化机制进行了较系统的研究;应用 iTRAQ(Isobaric tag for relative and absolute quantitation)标记结合二维液相色谱串联质谱技术,开展了多态叶的差异蛋白质组学研究,以期揭示胡杨叶形变异的环境适应分子机制。主要结果如下:1.探讨了北京和内蒙古乌海胡杨岛生长的胡杨叶片的水分生理特性。分别测定了着生3种形态叶枝条的压力-容积曲线(PV曲线),分析表明,两地胡杨不同形态叶的水分参数变化规律一致,其中,锯齿卵圆形叶片具有最大渗透调节范围和弹性模量;两地胡杨相同形状叶片的最大渗透势、最低渗透势和弹性模量等值有差异,乌海胡杨叶片的最大渗透势和最低渗透势均小于北京胡杨的,而最大渗透调节范围和弹性模量值则大于北京胡杨的。据此推测,锯齿卵圆形叶片通过降低渗透势、使渗透调节范围变宽、增厚细胞壁等方式,来应对不利生境;随着胡杨生长环境的变化,叶片水分生理特性也会发生相应的调整,由此体现了水分因子对叶形变化的影响。2.研究了胡杨多态叶的叶绿素荧光特性和对干旱/盐胁迫的瞬时响应特点。叶绿素荧光测定结果表明:正常生长环境下披针形叶片的非光化学淬灭系数要高于卵圆形叶和锯齿卵圆形叶的,推测披针形叶片可能更容易发生光能过剩的情况,光能利用率较低。此外,对叶片分别进行水分和盐胁迫的结果表明:3种形态叶片的原初光能转化效率、实际光化学量子产量在干旱/盐胁迫初期下降的幅度都较为轻微,且参数值之间没有明显差异,说明3种形态叶均有一定的耐逆性;然而,随着胁迫程度的加深,叶片间的差异逐渐显现,披针形叶片的原初光能转化效率和实际光化学量子产量下降趋势最为明显。胁迫过程中锯齿卵圆形叶片一直保持着较高的光化学淬灭系数,表明该叶片能及时开启保护机制,通过提高热辐射消耗来促进光合电子传递,从而减轻不利因素造成的伤害,进一步避免光合器官受到不可逆的损伤。3.为了研究胡杨多态叶形成的分子机理,本论文采用iTRAQ蛋白质组学技术研究了披针形、卵圆形和锯齿卵圆形3种形态叶的差异表达蛋白质,共获得2689个蛋白质。其中差异蛋白质,在卵圆形叶/披针形叶片比较组中为56个,40个表达上调,16个表达下调;锯齿卵圆形叶/披针形叶片比较组中有73个,40个表达上调,33个表达下调;锯齿卵圆形叶/卵圆形叶片比较组中有222个,106个表达上调,116个表达下调。功能注释结果表明,这些差异表达的蛋白质参与了叶片的各种生理活动,如光合作用、能量代谢、细胞壁形成、次生代谢、蛋白质降解和免疫防御机制等。其中,披针形叶片吸收光能的能力较强,但缺乏有力的碳同化能力,因此合成稳定光合产物的效率低,发生光能过剩的可能性较大,应对胁迫的能力较弱。当胡杨受到外界刺激时,叶片细胞内的Ca2+浓度发生变化,锯齿卵圆形叶和卵圆形叶中的钙调蛋白表达量较多,可对外界刺激做出及时反应,如提高SOD、APX和POD的表达量来调节细胞壁内H2O2的积累,影响酚类物质氧化成苯氧基的过程,从而影响木质素的聚合反应,进而调节细胞壁的机械厚度来抵御胁迫。这些变化与上述生理生化功能一致,这表明胡杨叶形变异是多种因素综合作用的结果。4.本文还建立了基于2D-DIGE的胡杨叶片差异蛋白质组学技术体系和叶片质膜分离方法。从披针形叶和锯齿卵圆形叶中成功获得了 178个差异表达蛋白质和纯度、活性高的叶片质膜,为后续的差异蛋白质功能鉴定及叶片变异的分子调控机制的深入研究,奠定了良好的实验基础。