铜(Cu)作为高等植物必需的微量元素,对维持植物新陈代谢和生长发育具有重要意义。由于长期过量使用含Cu杀菌剂,柑橘园土壤Cu过量已成为限制我国柑橘产量和质量的常见生理障碍。目前,有关植物根响应长期铜(Cu)过量的分子生理机制的研究鲜有报道。本研究每周用含400μM(过量)和0.5μM(对照)Cu的营养液浇沙培盆栽沙田柚[Citrus grandis(L.)Osbeck]实生幼苗6次,连续处理6个月,然后应用转录组、广泛靶向代谢组和生理方法研究Cu过量对实生苗生长,根和叶Cu含量,根基因表达水平和代谢物丰度,以及根细胞壁(CW)粗提物(CWM)和组分、总酚(TPs)、总游离氨基酸(TFAAs)、总香豆素、总黄酮和丙二醛(MDA)含量的影响,旨在从转录组、代谢组和生理水平揭示根响应Cu过量的分子生理机制,鉴定在其中发挥作用的关键基因、代谢物和/或代谢途径,以及明确Cu过量响应基因和代谢物在叶和根之间的异同。主要研究结果如下:1.Cu过量降低植株寻找更多生长,增加根和叶Cimmune phenotypeu含量;幼叶发黄,根系稀疏,须根腐烂、呈黑褐色。2.Cu过量下单位干重(DW)表示的根CWM、果胶和木质素含量显著增加,半纤维素2(HC2)含量显著降低,HC1、HCI+HC2和纤维素含量无显著变化;Cu过量下单位CWM表示的HC2和HC1+HC2含量显著降低,其它CW组分无显著变化。Cu过量增加根中总黄酮、总香豆素、TPs和MDA含量,但对根TFAAs无显著影响。3.利用广泛靶向代谢组,在400μM Cu处理根(RCu400)中检测到了142种[52种初生代谢物(PMs)和90种次生代谢物(SMs)]上调和48种(17种PMs和31种SMs)下调的代谢物。共有65个差异代谢物(DAMs)被富集到了59条KEGG通路中。利用RNA-Seq在RCu400中鉴定出了350个上调和156个下调的基因。共有220个差异表达基因(DEGs)被富集到84条KEGG途径。转录组和代谢组进行联合分析表明,在DEGs和DAMs之间有40条共同富集的KEGG途径。4.进一步的分析表明,根对过量Cu的适应性反应包括:(a)提高SMs(木质素、生物碱、类黄酮、木脂素和香豆素、酚酸和总酚)的生物合成和积累;(b)增加了Cu在根CW中的保留,减少了Cu向地上部的转运;(c)分别抑制和诱导与Cu吸收和Cu稳态相关基因的表达;以及(d)提高了维持细胞质中Fe稳态和能量稳态的能力。尽管RCu400中与ROS和活性氮(RNS)解毒相关的大量代谢物的丰度和一些基因表达的水平上调,但它们不能保护这些根免受氧化损伤。一些基因如CW相关激酶(WAK)1(WAK1)、α-双加氧酶1(DOX1)、液泡铁转运蛋白、铁还原氧化酶2(FRO2)、铁(II)转运蛋白1(IRT1)、碱性螺旋-环-螺旋蛋白29(b HLH29)、Protein FERRIC REDUCTASE DEFECTIVE 3(FRD3)、铁调节转运蛋白、成员(IREGLapatinib1)和铁蛋白基因,代谢物如果胶、木质素、香豆素、生物碱、酚酸(水杨酸)、有机酸(柠檬酸)和碳水化合物(葡萄糖),和/或代谢途径(过程)如苯丙烷生物合成、铁离子稳态、对RNS的细胞反应和对ROS的细胞反应,可能有助于沙田柚根对长期Cu过量的适应。此外,Cu过量响应基因和代谢物在叶和根之间存在一些相似和不同之处。总之,本研究揭示了一些有关植物根适应铜过量的新策略。