砷是一种在自然界中分布广泛、非必须的致癌类金属,其在土壤中积累到二定程度,不仅破坏土壤的物理结构和化学特性,而且可通过食物链损害人类健康。植物修复因绿色、经济、原位的修复特性受到国内外的广泛关注,合适植物材料的选择对于修复效果具有极大的影响。已有研究表明生长迅速的木本植物如杨树Populus、柳树Salix是砷污染土壤的潜力修复材料,水稻具有高效的砷转运能力且谷粒中的砷富集量约是其他禾谷类作物的10倍。本研究以6个杨树无性系（Zhonglin ’2025’、I-45/51、I-214、I-63、Flevo、Danhong）为材料进行了3个梯度的水培加砷（0μM、50μM、100μM）试验,探讨了杨树的耐砷性及对砷的吸收、富集和转运。继而,以筛选的耐受型和敏感型无性系为材料,研究了其生理生化响应及蛋白质组表达。此外,以水稻幼苗地上部分为材料,研究了短期砷胁迫下其生理变化和蛋白质组表达。一、砷耐受型和敏感型杨树无性系的筛选1.砷处理使6个杨树无性系生长受限,叶片近顶端部位呈现叶面皱缩、黄化失绿等毒害症状,其中2025杨受砷毒害最轻,45/51杨生长受限和症状最为明显。此外,砷对Danhong杨生长、Pn和Tr的负面影响最小,其他依次是2025、214、Harvord、45/51和Flevo。2.砷在杨树根、茎、叶的富集顺序为根>叶>茎,且根富集的砷占植物体总砷的95～99%。砷处理下,Flevo、2025和Danhong分别具有最高的根、茎、叶砷富集,富集量分别是1701.99 mg/kg,21.72 mg/kg和30.07 mg/kg。3.砷胁迫下,6个杨树无性系根、地上部分的BF分别为78.69～131.21和2.14～3.18,Tf为0.019～0.046。不同杨树无性系根、叶的BF和Tf差异不显著,其中2025杨具有最低的根BF、最高的地上部分BF和最高Tf。总之,2025杨因具较强的砷耐受性、较高的地上部分砷含量和转移系数,是良好的砷污染土壤修复材料。与之不同,45/51杨表现了最严重的砷毒害症状和较低的光合合成能力,是砷敏感杨树无性系。二、砷胁迫下耐受型和敏感型杨树无性系的生理生化响应1.砷处理负面影响了2025杨和45/51杨叶片的光合色素含量,且下降幅度与砷处理浓度呈正相关。100 μM砷处理下,2个杨树无性系间的叶绿素a、叶绿素b含量呈显著差异。2.原位组织染色检测结果表明,砷胁迫诱导了45/51杨根02‘、H202的产生,且主要富集在代谢活动比较旺盛的根尖部位。然而,砷处理未诱导叶02‘、H202的产生。3.砷胁迫下,2025杨和45/51杨根CAT、GR活性和GSH含量上调；根、叶POD和叶APX活性下调；根、叶SOD活性保持不变。在生理层面上,2个杨树无性系对砷胁迫的响应有所差异,尤其是GR活性和GSH含量的非协同变化,这可能暗示GSH在砷解毒中起着重要作用,也是造成二者砷耐受性差异的根本原因。三、砷胁迫下耐受型和敏感型杨树无性系根的比较蛋白质组学分析1.在双向电泳凝胶图谱上,三次试验中2025杨和45/51杨各重复出现了约650个和670个蛋白点,其中各有51个和74个在砷胁迫处理后差异表达（2倍差异和P<0.05）。经MALDI-TOF-MS分析和UniProt软件搜索,二者分别有34个和48个蛋白点鉴定成功。据MapMan软件对鉴定蛋白进行功能分类,结果发现参与代谢、氧化还原调控、胁迫反应、蛋白代谢、细胞结构、信号传导等蛋白质累积增加或减少。2.在2025杨和45/51杨根电泳图谱上,重叠鉴定了7个蛋白质,表明二者对砷胁迫具有一定的共性。3. POD、SOD、HSP70、smHSP、Proteasome subunit alpha type、HDAs等差异蛋白质功能分析表明,2025杨比45/51杨具有更强的感受砷胁迫、抗氧化胁迫、清除垃圾及修复损伤的能力。此外,45/51杨中EMP、TCA.能量合成相关蛋白纷纷上调表明45/51杨需能增加,可能受到了更严重的胁迫。四、砷胁迫下水稻幼苗地上部分的生理生化响应及蛋白质组表达1.砷处理使水稻幼苗生长受限,根系表现出根毛稀少、根尖出现水渍状棕褐色斑点等毒害症状。通过透射电镜观察发现,砷胁迫破坏了根尖、叶片细胞的超微结构。2.同样,水稻幼苗地上部分三次试验的双向凝胶电泳图谱中重复出现了约660个蛋白点,其中38个是差异表达蛋白质（1.5倍差异）,经MALDI-TOF-MS分析,38个蛋白质成功鉴定,其中12个蛋白质上调表达,26个下调表达。3.鉴定的差异蛋白质功能分析结果表明,砷胁迫主要抑制了地上部分的基本代谢过程尤其是光合代谢。同时,诱导了氧化胁迫,导致细胞壁降解和细胞结构损伤。总之,以上结果全面阐释了砷胁迫下杨树、水稻的生理生化及蛋白质丰度变化,为培育砷耐受性强、高富集和转运能力的转基因杨树及稻谷砷含量低的水稻奠定了基础。