油桐是大戟科(Euphorbiaceae)油桐属植物的统称,与油茶、核桃和乌桕并称我国四大木本油料树种,已有千年的栽培历史。桐油是世界上最优质的干性油,具有干燥快、附着力强、富光泽、耐酸碱等优良特性,是制造优质、环保油漆的最好原料。近年来,随着人口的增长,在原油日趋减少的今天,油桐成为了优良的生物能源树种。油桐生长快,结实早,3年即可始果,这与它的光合作用密切相关。光合作用是影响植物生长和农作物产量的重要指标,也是品种选育过程中最为重要的指标之一。本文研究了三年桐和千年桐两个油桐物种基本光合特性及对环境因子的响应,并在此基础上对油桐光合碳同化途径进行初步研究,同时也对叶绿体基因组开展了测序、分析及系统发育方面的研究,旨在为油桐良种选育及高产栽培技术的制定提供理论依据。本研究的主要内容及结果如下:1.油桐不同品系光合特性的比较研究。利用LI-6400便携式光合测定系统,测定了两个物种的4个油桐品系的光合特性。结果表明:(1)葡萄桐、小米桐、对年桐的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)日变化均呈单峰曲线,千年桐的Pn、Gs、Tr日变化呈双峰曲线;(2)4个品系的胞间CO2浓度(Ci)日变化呈不规则的“V”字型;(3)4个品系净光合速率日变化平均值大小排序为:葡萄桐>小米桐>对年桐>千年桐;(4)影响油桐净光合速率值大小的主要生态生理指标依次为:蒸腾速率>胞间CO2浓度>光合有效辐射>气孔导度。小米桐对弱光的利用能力较强,具有较低的光补偿点和较高的表观量子效率。油桐具有较高的光合效率,其中,葡萄桐的光合效率最高,千年桐的光合效率比葡萄桐的低13.39%。2.油桐光合生理特性对干旱胁迫的响应。采用盆栽试验,研究不同水分处理(正常供水、轻度干旱、中度干旱、重度干旱)对油桐幼苗生长、叶片气体交换及叶绿素荧光参数的影响。结果表明:与对照相比,轻度干旱胁迫对两种油桐生长、气体交换及叶绿素荧光参数无明显影响(P>0.05);中度干旱及重度干旱使两种油桐的叶绿素SPAD值、生长量、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、气孔限制值(Ls)、最大净光合速率(Pn max)、光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)、最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学量子效率(ΦPSII)、电子传递速率(ETR)及光化学猝灭系数(qP)显著下降(P<0.05),且在重度干旱胁迫下迅速下降,胞间CO2浓度(Ci)、水分利用效率(WUE)、光补偿点(LCP)、初始荧光(Fo)、非光化学猝灭系数(NPQ)显著升高(P<0.05);中度干旱胁迫下油桐幼苗Pn的降低是由气孔因素及光合机构活性降低的非气孔因素共同引起的,而重度干旱胁迫下光合作用的下降主要是由光合机构活性降低的非气孔因素引起的。三年桐的光合机构活性及光合效率高于千年桐,对干旱胁迫的适应性较千年桐强。3.油桐光合生理特性对镁元素的响应。采用营养液砂培试验,研究不同供镁水平对油桐幼苗生长、光合特性及叶绿素荧光参数等的影响。结果表明:随着供镁水平的增加,两个油桐物种叶片镁含量逐渐升高。低镁浓度(Mg2+<2 mmol·L-1)显著抑制了油桐的生长,叶绿素含量、RuBP羧化酶及PEPC活性、可溶性蛋白含量、SOD活性、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、气孔限制值(Ls)、水分利用效率(WUE)、最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学量子效率(ΦPSII)、PSII的潜在活性(Fv/Fo)及光化学猝灭系数(qP)显著下降(P<0.05),胞间CO2浓度(Ci)、初始荧光(Fo)、非光化学猝灭系数(NPQ)、游离脯氨酸(Pro)有所升高;高镁浓度(Mg2+>4mmol·L-1)也抑制了油桐幼苗的生长,导致叶片叶绿素含量、RuBP羧化酶活性、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、最大光化学效率(Fv/Fm)、PSII的潜在活性(Fv/Fo)及光化学猝灭系数(qP)均下降(P<0.05);随着供镁水平的增加,油桐的生长量、叶绿素含量、RuBP羧化酶及PEPC活性、净光合速率呈先增加后降低的趋势;当镁离子浓度为2-4 mmol·L-1时,有利于油桐幼苗正常生长,缺镁胁迫下油桐光合速率的下降主要是由光合机构活性降低的非气孔因素引起的。4.油桐光合碳同化途径的研究。通过观察油桐叶片解剖结构及胞间连丝,测定了叶片Rubisco和PEPC羧化酶活性、稳定性碳同位素δ13C及叶脉密度初步研究了油桐光合碳同化途径。结果表明:油桐叶片叶肉细胞中具有密集的维管束鞘细胞,且维管束鞘细胞中含有叶绿体;羧化效率、Rubisco及PEPC羧化酶活性高于C3植物油茶和水稻。另外,油桐的胞间连丝密度介于C3和C4植物之间,稳定性碳同位素δ13C的值较C3植物的低,同时,与C3植物相比,油桐具有较高叶脉密度。这些结果表明油桐可能是一种介于C3植物和C4植物之间的中间型物种,这对C3植物的起源和进化等方面的研究具有重要意义。5.油桐叶绿体基因组的研究分析。应用第三代单分子实时测序平台(PacBio RS II)对油桐叶绿体全基因组进行测序,解析了其基因组结构,并与麻疯树、巴西橡胶及木薯叶绿体基因组进行了对比分析。油桐叶绿体基因组全长为161,528 bp,两个反向互补重复区(IRs)长26,819 bp,被分隔的大单拷贝区(LSC)和小单拷贝区(SSC)长度分别为89,132 bp和18,758 bp。编码114个基因,包含81个蛋白编码基因、29个tRNAs和4个rRNAs基因,其中16个基因含有内含子,21个基因位于IR区。基因的种类、数目以及GC含量等与其他大戟科物种相似。总共鉴定了 81个大于10个碱基的SSR位点。与同科的麻疯树叶绿体基因组相比,油桐叶绿体基因组中有85个单核苷酸多态性(SNP)和82个核苷酸插入或缺失。基于55个物种叶绿体基因组的36个共有蛋白编码基因构建系统发育树表明,油桐与麻疯树是姐妹种,在进化中位于I类真蔷薇分支。油桐叶绿体基因组的分析研究对今后物种进化及系统发育方面的研究具有重要意义,尤其是阐明油桐在大戟科的进化位置具有重要研究价值。