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铝（Aluminum，Al）在地壳中的含量仅次于氧元素和硅元素，是含量最多的金属元素。在植物的生长过程中，Al是非必需营养元素，微量的Al可刺激植物生长。然而，在酸性土壤溶液中高浓度的Al3+，则可形成Al毒害，抑制植物生长，降低作物产量。研究发现，在Al胁迫下，胼胝质的积累是植物对Al毒害的一种重要响应，也常被作为Al毒害的敏感指标。但是，到目前为止，关于Al诱导植物根尖胼胝质积累的机制尚不十分清楚。甜高粱是粒用高粱的一个变种，最早起源于非洲。甜高粱的含糖量较高并具有较强的抗干旱、耐盐碱等特性，作为生物能源作物，已越来越受到人们的重视。但迄今关于甜高粱响应Al胁迫的生理生化及分子生物学的研究却甚少。本研究从71个甜高粱品种中，筛选得到耐Al品种ROMA和Al敏感品种POTCHETSTRM，并将上述两个品种同大豆、玉米的耐Al和Al敏感品种进行比较，发现甜高粱的耐Al水平较大豆、玉米低且Al诱导根尖积累大量的胼胝质。在此基础上，以耐Al品种ROMA和Al敏感品种POTCHETSTRM为材料，进一步分析了Al对胼胝质的积累、胼胝质合成酶活性、分解酶（β-1,3葡聚糖酶）活性以及相关基因表达等的影响。同时，在拟南芥中异源表达β-1,3葡聚糖酶基因（SbGlu1），对该基因的功能进行了较为深入的研究。通过比较SbGlu1基因的序列、拷贝数和启动子序列，又进一步分析了SbGlu1基因在上述两种不同Al耐性甜高粱品种间存在表达差异的可能机制。主要研究结果如下：1.甜高粱耐Al品种筛选及耐Al性比较15μM Al3+处理71个甜高粱品种的幼苗，以24h/48h甜高粱相对根伸长率为指标，筛选获得耐Al品种ROMA和Al敏感品种POTCHETSTRM。与大豆、玉米耐Al和Al敏感品种相比，甜高粱的耐Al性较低，且根尖胼胝质的积累量、根尖Al含量都较大豆和玉米高。2. Al诱导甜高粱根尖胼胝质的积累不同浓度Al3+处理两个甜高粱品种3h、6h及24h，结果表明：甜高粱根尖胼胝质的含量不仅随Al浓度的增加而增加，也随Al处理时间的增加而增加；耐Al品种ROMA根尖胼胝质的含量低于Al敏感品种POTCHETSTRM；在Al胁迫达到一定程度时两个品种胼胝质的积累都会达到一个相对稳定水平。Time-course试验表明，胼胝质的积累与根伸长率呈显著负相关、与根尖Al含量呈显著正相关，说明甜高粱根尖胼胝质的积累是Al毒害敏感指标，且与Al毒害程度呈正相关关系。3. Al胁迫对甜高粱胼胝质合成酶活性及其相关基因表达的影响在植物体内，胼胝质的形成受到胼胝质合成酶的调控。Al胁迫即能增强又能抑制胼胝质合成酶活性，且Al敏感品种POTCHETSTRM胼胝质合成酶活性高于耐Al品种ROMA。这可能是Al敏感品种胼胝质积累量高于耐Al品种的原因之一。两个品种的6个胼胝质合成酶相关基因在Al处理0h至12h期间，相对表达量都几乎没有变化，但在Al处理24h时，敏感品种的6个胼胝质合成酶相关基因的相对表达量都显著提高，而ROMA仍保持很低的水平。说明在Al胁迫后期，胼胝质合成酶相关基因可能调控甜高粱根尖胼胝质的累积。4. Al胁迫对甜高粱胼胝质β-1,3-葡聚糖酶活性及其相关基因表达的影响胼胝质的形成除了受到胼胝质合成酶的调控，还受其分解酶β-1,3-葡聚糖酶的调控。与胼胝质合成酶相反，Al胁迫对两个甜高粱品种根尖β-1,3-葡聚糖酶活性均表现抑制作用，且耐Al品种ROMA的β-1,3-葡聚糖酶活性高于Al敏感品种POTCHETSTRM，这可能是导致甜高粱Al敏感品种胼胝质积累量高于耐Al品种的另一个原因。Al胁迫条件下，Al敏感品种POTCHETSTRM的5个β-1,3-葡聚糖酶基因表现为上调，1个基因为下调；而耐Al品种ROMA只有1个基因（SbGlu1）响应Al胁迫，且表现为上调。两个甜高粱品种SbGlu1基因的表达与胼胝质的积累量均呈正相关关系，说明Al胁迫条件下甜高粱SbGlu1基因可能参与了调节胼胝质的降解过程。5. SbGlu1克隆、亚细胞定位及其功能分析克隆了上述两个甜高粱品种的β-1,3-葡聚糖酶基因SbGlu1。利用洋葱表皮细胞对SbGLU1进行亚细胞定位。结果表明，该蛋白是可溶的、非特异定位的蛋白。将SbGlu1基因在拟南芥中异源表达，以进一步分析其功能。研究显示，与野生型（WT）和转空载（Vector）两个对照株系相比，在拟南芥中异源表达甜高粱SbGlu1基因，可提高拟南芥β-1,3-葡聚糖酶活性、降低根尖Al的积累和胼胝质的沉积、缓解Al对根伸长的抑制，从而提高转基因拟南芥的耐Al性。6. SbGlu1基因表达差异分析通过比较SbGlu1基因的序列、拷贝数和启动子序列，分析SbGlu1基因在甜高粱耐Al及Al敏感品种间产生表达差异的可能原因。在两个供试甜高粱品种中，SbGlu1基因序列存在单核苷酸多态性变化，但这种变化并不影响SbGlu1基因提高转基因拟南芥耐Al性的功能；两个甜高粱品种相同的SbGlu1基因拷贝数也不是产生转录水平表达差异的原因；启动子序列分析显示，SbGlu1基因上游2kb的启动子区，两个品种的启动子核心元件TATA-box相差13个，远端调控增强子元件CAAT-box相差3个，而这些元件的数量差异则可能是导致两个品种间SbGlu1基因在转录水平存在表达差异的原因。