槭属(Acer L.)植物在全世界约有200selleck产品种,因其秋叶颜色丰富、独特翅果和叶形,被视为重要的观赏树种,多应用于自然景观和园林绿化。在食用、药用、材用等方面槭属植物也具有重要的利用价值。我国为槭属植物种质资源最为丰富的国家,东北地区是槭属植物的重要分布区之一,目前对槭属植物种间差异的研究较少。气候变化对物种生长和分布以及生态系统结构的潜在影响已经引起关注。在山地生态环境中,海拔梯度引起温度、降水、辐射以及土壤理化性质等多个环境因子的变化,因此海拔适应性的研究有助于了解植物对环境变化的长期响应机制。本研究以大峡谷国家级自然保护区4种槭属植物为研究对象,基于多组学联合分析技术,对槭属植物的生理特性、基因表达、初生及次生代谢产物进行比较分析,(1)比较槭属植物花楷槭(Acer ukurunduense Trautv.et Mey.,AUT)、色木槭(Acer pictum subsp.mono(Maxim.)H.Ohashi,APM)、青楷槭(Acer tegmentosum Maxim.,ATM)、东北槭(Acer mandshuricum Maxim.,AMM)在水平分布条件下的种间生理代谢差异,(2)揭示槭属植物花楷槭垂直分布条件下的海拔适应策略。主要研究结果如下:(1)在4种槭属植物种间差异的生理代谢特征研究中:(a)不同种槭属植物生理代谢过程存在显著差异。花楷槭的生长与POD、CAT、O~(2-)、AST、PAL、CHI相关性更高;色木槭与Na、Mg、Mn、B、GLDH相关性更高;青楷槭和东北槭与Ca、Se、Cu、Fe、SS、可溶性糖、可溶性蛋白相关性更高。(b)为全面了解槭属植物种间差异信息,对4种槭属植物进行RNA-seq测序分析,结果发现槭属植物转录水平差异多集中于光合作用、甘油磷脂代谢MDV3100纯度、类黄酮的生物合成、淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷类化合物生物合成等通路。(c)为进一步了解槭属植物代谢水平差异,基于转录组学结果,对4种槭属植物进行非靶向初级产物及靶向酚类化合物的测定。槭属植物叶片中共检测初级代谢产物68种,果糖为4种槭属植物的关键代谢节点。酚类化合物在槭属植物中的分布具有明显的种间特异性,C6C1和C6C3类化合物在青楷槭和东北槭中积累较多。C6C3C6类化合物在花楷槭和色木槭中积累较多,表明这2个物种抗逆性更强。聚类分析的结果揭示,在代谢水平上色木槭和东北槭具有更高的相似性。(d)将种间差异基因与代谢节点进行共富集分析,结果发现,不同物种对代谢节点的调控具有特异性。花楷槭中代谢节点由基因MAN正调控;色木槭中代谢节点由PFKFB3等基因正调Medicinal biochemistry控;青楷槭中代谢节点由sedoheptulose-bisphosphatase、PFKFB3、HK等基因正调控;东北槭中代谢节点由基因GFPT、GMDS、TPI、PFK正调控。(2)在花楷槭海拔适应性的生理代谢特征研究中:(a)土壤性质(全氮、全碳、S-UE、S-CAT)和植物内含物(全氮、有机碳、总黄酮、可溶性糖)、矿质元素(Zn、Cu、Mn、Se、Mn)、生物酶(GLDH、SS、CHI)与花楷槭高海拔分布适应性相关。(b)槭属植物适应海拔变化由多种生理活动协同完成。随海拔上升光合色素和可溶性糖含量上升,为植物适应环境变化提供能量。氧化应激系统由SOD主导反应,矿质元素Mn、B、Cu起协同作用。(c)对不同海拔花楷槭转录水平差异进行对比分析,共获得2110个海拔适应性相关基因,显著富集在苯丙氨酸类化合物的生物合成、类黄酮的生物合成、淀粉和蔗糖代谢通路中。通过非靶向及靶向代谢组学分析,共获得5种(葡萄糖、半乳糖、甘油、奎宁酸、莽草酸)初级和13种(橙皮素、白杨素、儿茶素、花旗松素、柚皮素、檞皮苷、大豆苷元、染料木素、芹菜素、木犀草素、高良姜素、甘草素、异甘草素)次级海拔适应性关键代谢产物。(d)为进一步了解花楷槭的海拔适应性,对响应海拔变化的关键差异基因及代谢物进行共富集分析。结果表明,花楷槭适应海拔变化由糖酵解/葡萄糖生成、甘油脂代谢、半乳糖代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成、黄酮类生物合成5条代谢途径协同调控。糖酵解/葡萄糖生成途径(葡萄糖)和黄酮类生物合成(橙皮素、白杨素、儿茶素、花旗松素、柚皮素、檞皮苷)受GOLS、TPI、INV等基因正调控。半乳糖代谢途径(半乳糖)、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成途径(奎宁酸、莽草酸)受PFK、GALM、GALM等基因正调控。甘油脂代谢途径(甘油)受MGD、GLYK、DFR、HCT、UGP3等基因正调控。黄酮类生物合成途径中大豆苷元、染料木素、芹菜素、木犀草素、高良姜素、甘草素、异甘草素受DFR、GOT1、AKR1A1等基因正调控。另外,异甘草素作为海拔适应性重要化合物受酚类化合物合成相关基因(CHS、F3H、CHI、CYP75B1)与磷酸果糖激酶基因(PFP)协同调控。综上所述,本研究从生理、转录、代谢角度综合分析槭属植物的种间差异及海拔适应性的生理代谢特征。研究结果不仅为探究槭属植物的代谢-亲缘进化关系提供了科学依据,同时也为全球气候变化背景下植物的环境适应性等科学问题提供了研究基础,为槭属资源的开发利用提供理论依据。