土壤盐化是全球范围内限制作物生产的主要逆境,由于环境污染加剧和农用灌溉水质持续恶化,农田土壤盐化日趋严重。明确作物的耐盐机理是培育耐盐新品种和制订抗盐栽培措施的基础。目前虽已明确渗透调节、离子平衡和抗氧化是植物的主要耐盐机制,但相关的遗传及分子机理尚未完全阐明。大麦(Hordeum vulgare)是全球第四大粮食作物,适应性广,耐盐性强。以大麦为模式作物,研究其耐盐机制,对揭示禾本科作物的耐盐机理具有重要的理论价值。青藏高原一年生野生大麦(H. Spontaneum和H. agriocrithum)(以下称西藏野生大麦)系我国独有的植物种质资源,具有丰富的遗传变异和抗逆基因资源,发掘其耐盐资源可为大麦及作物耐盐改良提供优异种质。本研究在评价西藏野生大麦耐盐性的基础上,采用关联分析法鉴定与发掘优异耐盐野生种质,并首次从离子组、膜蛋白组和代谢组三个水平上系统解析野生大麦和栽培大麦对盐胁迫的响应机制及其差异,取得的主要研究结果如下：1.西藏野生大麦耐盐种质的发掘与遗传关联分析采用水培试验,大麦三叶期用300mM NaCl胁迫处理3周,以相对干物重为指标,评价了188份西藏野生大麦的耐盐性,发现盐胁迫明显降低根和地上部的干重,降幅为27.6%～73.1%,且以根的降幅较大。西藏野生大麦的耐盐性存在广泛的基因型差异,与普遍认同的耐盐对照品种CM72相比,鉴定到根和地上部相对干重显著大于对照的野生大麦材料。利用57对多态性芯片技术(DArT)标记分析了西藏野生大麦群体第5染色体的连锁不平衡(LD)结构,发现第5染色体LD的遗传衰减距离为8.9cM(R2<0.1)或者1.5cM (R2<0.2),LD程度较弱。采用测序法分析了野生大麦群体中HvCBF1、HvCBF3、HvCBF4和HvHVA1基因编码区(CDS)序列多态性,与参照序列相比,分别检测到2、15、16和10个单核苷酸多态性(SNP)位点,即平均每100bp碱基中存在0.3、2、2.4和1.6个SNP,对应3、8、13和6个单倍型,基因SNP位点之间存在不同程度的LD关系。耐盐性状与遗传多态性的关联分析结果表明,标记bPb-4891与地上部和整株的相对干物重显著关联(P<0.05),可分别解释表型变异的2.2%和2.3%；4个基因中,仅HvCBF4的单倍型13与地上部、根和整株的相对干物重显著关联,可分别解释7.44%、2.4%和5.34%的表型变异。标记bPb-4891与HvCBF4基因在大麦遗传图谱上紧密连锁,推测该位点和HvCBF4的单倍型13可能与大麦耐盐性相关。野生大麦种质XZ16和XZ26具有HvCBF4的单倍型13的基因型,具有较强的耐盐能力。2.大麦离子组对盐胁迫的响应机制以栽培品种CM72(耐盐)、Gairdner(敏感)和两个野生大麦XZ16(耐盐)和XZ169(敏感)为材料,苗期进行150和300mM NaCl处理0、1、2、3和5周,系统分析了它们的生长和离子组对盐胁迫的响应。结果表明,低盐浓度对大麦生长的抑制不显著,而高盐浓度对4个大麦地上部的抑制率为30～53%,XZ16在两种盐胁迫下均有最大的绝对干物重,低浓度和高浓度下分别是CM72干物重的1.7倍和1.4倍。结果佐证了XZ16是生长快的耐盐材料,而Gairdner和XZ169的耐盐性弱。根离子组中,盐胁迫下Na含量上升至处理2周后有所降低；P、S、Mg、K、 Mn、Zn和B含量因盐处理而降低,但Mn和Zn在高盐胁迫下降幅较低,Ca、Cu和Fe的含量因盐处理而增加。地上部离子组中,盐处理增加Na含量,降低P、K、Ca、Mg、S、Cu和B含量；Mn和Zn含量在低盐浓度下增加,而在高盐浓度下降低；而Fe含量在低盐下降低,高盐下增加。处理5周后,CM72和XZ16的Na含量和Na/K比显著低于Gairdner和XZ169。以上结果说明维持地上部低Na含量和Na/K比是大麦重要的耐盐机制。此外,大麦通过增加根部Ca、Cu和Fe的含量以及地上部Fe的含量,可增强组织对盐胁迫的耐性。3.大麦膜蛋白对盐胁迫的响应机制采用双向电泳(2-DE)和基质辅助激光解离飞行时间质谱系统(MALDI-TOF-TOF-MS)技术,分析了200mM NaCl胁迫处理48h和正常条件下XZ16和CM72大麦根和叶片膜蛋白组的差异,结果发现有41个膜蛋白受盐胁迫诱导差异表达。在根部,ATP合成酶(α亚基)、天冬氨酸转氨酶、单脱氢抗坏血还原酶、第Ⅲ类过氧化物酶和病程相关蛋白10受盐胁迫诱导表达上调,而ATP合成酶(β亚基)、二氢硫辛酰胺脱氢酶家族、丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、钙调蛋白类、NADP-苹果酸酶和第Ⅲ类过氧化物酶受盐胁迫表达下调。叶片中,叶绿体ATP合成酶、Bp2A蛋白、Cp31AHv蛋白、Cp31BHv蛋白、谷氨酰胺合成酶、磷酸甘油酸激酶、二磷酸腺苷葡萄糖焦磷酸酶和叶绿体Oxygen-evolving增强蛋白2受盐胁迫表达下调；而NAD依赖型异构酶、DegP蛋白酶和Harpin结合蛋白受盐胁迫诱导表达上调。研究结果推测,根部膜蛋白的主要响应机制是保护细胞膜稳定性、清除活性氧自由基(ROS)和参与离子平衡的重建,叶片膜蛋白的主要响应机制是保护光合反应活性。膜蛋白的表达水平基因型之间存在差异,XZ16野生大麦参与渗透调节和离子转运以及保护叶片的光合作用的膜蛋白表达高于栽培大麦CM72,这可能也是前者具有较强耐盐性的分子基础。4.大麦代谢物组对盐胁迫的响应机制采用气相色谱-质谱(GC-MS)技术,分析了300mM NaCl胁迫处理3周和正常条件下XZ16和CM72大麦根和叶片代谢组差异,鉴定到82种代谢物响应盐胁迫。与对照相比,CM72和XZ16分别有53种和55种代谢物含量显著变化,根代谢组的响应方式是参与TCA循环和糖转运的代谢物积累增加,而参与糖酵解和氨基酸合成的代谢物积累受到抑制。叶片代谢组中,CM72和XZ16分别有55种和54种代谢物含量显著变化,其响应方式是参与糖酵解、Calvin循环和氨基酸合成的代谢物积累明显增加,而参与TCA循环的代谢物积累受到抑制。代谢物响应盐胁迫存在组织差异性,根部调节渗透的主要代谢物是脯氨酸、糖类(蔗糖、海藻糖和棉子糖)、甘露醇和纤维醇；而棉子糖和脯氨酸等多种氨基酸是叶片的主要渗透调节物。根部代谢物对盐胁迫的响应机制是积累渗透调节剂含量,增强耐盐性；而叶片代谢物的响应机制除增强组织的渗透调节能力外,还为根部提供足够的糖类和能量,从而调节渗透压和转运Na+。代谢物响应机制存在基因型差异,栽培大麦CM72通过增加代谢物的合成,从而增强渗透调节和离子平衡提供物质和能量；而野生大麦XZ16自身拥有较强的渗透调节能力,维持正常的光合作用和合成代谢,从而保持较高的生长水平。综上所述,大麦的耐盐性受一个复杂的分子调控网络控制。本研究从西藏野生大麦中鉴定到耐盐性优于CM72的种质,可为大麦耐盐育种提供遗传材料；并从离子组、膜蛋白组和代谢组上分别解析了野生大麦和栽培大麦对盐胁迫的响应及其差异,丰富了作物耐盐机理,可为进一步发掘耐盐遗传资源和培育耐盐作物品种提供理论参考和实践指导。