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锰污染是全球酸性土壤上主要的植物生长限制因子，它不但降低农作物的产量和品质，而且可通过食物链危害人类健康。植物修复技术是治理锰污染土壤最重要的方法之一，优选适合的修复植物则是应用该技术的关键。苍耳(Xanthium strumarium)具有生物量大、生长速度快和生态适应性广等优点，并且锰耐性强，是锰污染土壤修复的理想候选材料。虽然植物锰耐性方面的研究已有报道，但植物整个生活史对锰胁迫的响应以及锰胁迫下锰累积与解毒的生理与分子机制仍不完全清楚。本论文以矿山生态型苍耳(ME)和非矿山生态型苍耳(NME)为材料，结合室内盆栽和水培实验，采用显微观察、超薄切片技术、常规理化分析手段以及高通量测序和荧光定量PCR等相结合的方法，开展了锰胁迫下苍耳的物候特征与生物量分配策略、叶片和根系显微及超微结构特征、生理响应特点、锰在各器官和亚细胞水平的积累分布规律及赋存形态、叶片在转录水平上对锰胁迫的响应等方面的研究。主要研究结果为:
(1)锰胁迫下苍耳物候和生物量分配策略在2种生态型之间和不同生长发育时期存在显著差异。与NME相比，锰胁迫下ME的抽薹、开花和结实时间分别提前了1.50～3.50d、2.50～3.25d和7.00～12.50d，花期和果期持续时间延长了3.00～3.50d和4.50～9.00d，开花数、果实数、种子数以及果实长度、宽度和种子长度、宽度分别增加了30.00～60.71％、21.05～52.63％、21.05～55.41％、0.52～6.62％、0.21～8.89％、1.57～10.74％和1.75～13.33％。随着锰浓度的升高，各生长发育时期ME的植株高度、分枝数、根冠比、叶生物量、根生物量和总生物量以及总根长、根表面积、根体积和平均根直径在低浓度时分别较对照增加了1.01～1.06倍、1.05～1.17倍、1.03～1.41倍、1.04～1.14倍、1.06～1.29倍、1.01～1.21倍、1.03～1.17倍、1.07～1.21倍、1.07～1.18倍和1.04～1.25倍，且在相同锰浓度下明显高于NME。锰胁迫改变了各生长发育时期苍耳器官间的生物量分配比例，幼苗期和营养生长期ME较NME分配更多的生物量至根系，生殖生长期ME和NME的地上部分营养器官生物量分别较对照减少了6.89～30.36％和5.04～35.29％，ME将更多的资源分配到生殖器官，生殖分配和收获指数逐渐增加，分别为NME的1.09～1.38倍和1.07～1.38倍。
(2)锰胁迫下ME叶片和根系的表观形态、解剖结构无显著变化，当锰浓度达到20000μM时，NME叶片和根尖结构严重受损，叶片栅栏组织和海绵组织细胞排列疏松、零散，栅栏组织海绵组织厚度比较对照下降了74.30％，薄壁细胞层数和导管数量减少，气孔长度、宽度、张开度和密度显著降低了26.03％、38.72％、25.18％和20.50％;根尖表皮细胞和外皮层细胞扭曲变形且部分破裂、脱落，维管柱部分出现明显空缺。随着锰浓度的升高，NME叶绿体肿胀变形，淀粉和嗜锇颗粒显著增大变多，类囊体片层结构紊乱;根尖细胞核核仁解体、质壁分离、染色质凝聚且细胞大面积空泡化。ME在锰胁迫下叶绿体和根尖细胞仍维持正常形态且结构完整、清晰。
(3)高浓度锰胁迫下幼苗期和营养生长期NME叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度分别较对照下降了5.67～14.29％和43.11～62.22％、16.67～33.33％和50.00～58.33％、3.00～6.18％和17.24～25.36％，气孔限制值增加了4.00～6.00％和34.38～53.13％，光合作用主要受气孔限制因素影响;生殖生长期叶片净光合速率进一步下降至5.08～7.39μmol m-2s-1，气孔导度减少了33.33～58.33％，非气孔限制因素成为抑制植株光合作用的主导因素;而锰胁迫对ME各生长发育时期叶片光合作用无显著影响。锰胁迫下各生长发育时期ME叶片PSII最大光化学效率、PSII有效光化学量子效率、光化学猝灭系数、实际光化学量子效率和光合电子传递速率均高于NME，分别为NME的1.01～1.32倍、1.01～1.73倍、1.02～1.74倍、1.01～3.03倍和1.01～2.94倍;而NME在锰浓度超过5000μM时叶片PSII光化学反应受到明显抑制，光合电子传递受阻，植株光合能力减弱，叶绿素a、叶绿素6、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别较对照减少了2.36～37.93％、6.25～42.86％、3.45～39.07％和4.35～41.67％。幼苗期2种生态型苍耳体内渗透调节物质含量和抗氧化酶活性与锰浓度呈正相关关系;随着膜脂过氧化作用的加剧，生殖生长期NME叶片和根系中丙二醛、超氧阴离子自由基和过氧化氢含量分别较对照增加了8.23～104.41％和8.00～71.44％、13.61～92.40％和10.60～78.80％、2.00～17.10％和2.00～18.15％，而ME体内的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量以及超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性均高于NME，分别为NME的1.04-1.87倍、1.08～1.44倍、1.04～1.25倍、1.06～1.55倍、1.15～2.14倍和1.25～2.45倍，表明ME对锰胁迫具有更强的耐性。
(4)2种生态型苍耳各器官的锰含量与锰胁迫呈浓度-效应和时间-效应关系增加。ME叶、茎、根和果实中的锰含量分别为1149.13～44838.35mg kg-1、595.95～14183.08mg kg-1、1811.34～27184.15mg kg-1和170.28～317.39mg kg-1，均高于NME相应器官中的锰含量，且2种生态型苍耳的转运系数、地上部分生物富集系数和根部生物富集系数均大于1。各生长发育时期ME亚细胞中的锰含量均为细胞壁组分(32.81～84.83％)＞核糖体组分(8.37～31.81％)＞叶绿体和细胞核组分(4.80～21.11％)＞线粒体组分(2.00～17.98％)，而NME则有较高比例(18.11-50.68％)的锰进入叶绿体、细胞核和线粒体。此外，ME中18.52～55.43％的锰为锰果胶酸盐和蛋白质结合态锰，9.21～39.29％的锰为锰磷酸盐，3.20～22.19％的锰为草酸锰，其他分别以残留态、乙醇和去离子水提取态存在;而NME根中则有29.68～65.38％的锰以迁移性和毒性较强的可溶态赋存于细胞中。
(5)锰胁迫下2种生态型苍耳转录组测序共获得171，127条unigenes，其中90959条被成功注释，构建了苍耳的转录组数据库。不同生态型苍耳叶片在转录水平对锰的响应不同:ME有18302条基因发生差异表达，其中10073条上调表达，8229条下调表达;而NME的差异表达基因为3326条，上调表达基因2222条，下调表达基因1104条。2种生态型苍耳叶片差异表达基因注释、富集的代谢通路相似，可能在苍耳体内存在整体性、系统性的基因网络调控其应对锰胁迫，而植物激素信号转导、MAPK信号通路-植物、ABC转运体和谷胱甘肽代谢等通路则是该网络的重要组成部分。本研究筛选、鉴定了11种信号感知与转导蛋白基因、10种重金属胁迫相关转录因子基因、24种编码金属转运蛋白相关基因、13种螯合物生物合成和谷胱甘肽代谢过程相关基因以及10种氧化胁迫防御机制相关的候选基因，初步构建了ME叶片锰防御和解毒的基因网络，为进一步揭示富集植物对锰累积与解毒的分子机制提供了理论依据。
(1)锰胁迫下苍耳物候和生物量分配策略在2种生态型之间和不同生长发育时期存在显著差异。与NME相比，锰胁迫下ME的抽薹、开花和结实时间分别提前了1.50～3.50d、2.50～3.25d和7.00～12.50d，花期和果期持续时间延长了3.00～3.50d和4.50～9.00d，开花数、果实数、种子数以及果实长度、宽度和种子长度、宽度分别增加了30.00～60.71％、21.05～52.63％、21.05～55.41％、0.52～6.62％、0.21～8.89％、1.57～10.74％和1.75～13.33％。随着锰浓度的升高，各生长发育时期ME的植株高度、分枝数、根冠比、叶生物量、根生物量和总生物量以及总根长、根表面积、根体积和平均根直径在低浓度时分别较对照增加了1.01～1.06倍、1.05～1.17倍、1.03～1.41倍、1.04～1.14倍、1.06～1.29倍、1.01～1.21倍、1.03～1.17倍、1.07～1.21倍、1.07～1.18倍和1.04～1.25倍，且在相同锰浓度下明显高于NME。锰胁迫改变了各生长发育时期苍耳器官间的生物量分配比例，幼苗期和营养生长期ME较NME分配更多的生物量至根系，生殖生长期ME和NME的地上部分营养器官生物量分别较对照减少了6.89～30.36％和5.04～35.29％，ME将更多的资源分配到生殖器官，生殖分配和收获指数逐渐增加，分别为NME的1.09～1.38倍和1.07～1.38倍。
(2)锰胁迫下ME叶片和根系的表观形态、解剖结构无显著变化，当锰浓度达到20000μM时，NME叶片和根尖结构严重受损，叶片栅栏组织和海绵组织细胞排列疏松、零散，栅栏组织海绵组织厚度比较对照下降了74.30％，薄壁细胞层数和导管数量减少，气孔长度、宽度、张开度和密度显著降低了26.03％、38.72％、25.18％和20.50％;根尖表皮细胞和外皮层细胞扭曲变形且部分破裂、脱落，维管柱部分出现明显空缺。随着锰浓度的升高，NME叶绿体肿胀变形，淀粉和嗜锇颗粒显著增大变多，类囊体片层结构紊乱;根尖细胞核核仁解体、质壁分离、染色质凝聚且细胞大面积空泡化。ME在锰胁迫下叶绿体和根尖细胞仍维持正常形态且结构完整、清晰。
(3)高浓度锰胁迫下幼苗期和营养生长期NME叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度分别较对照下降了5.67～14.29％和43.11～62.22％、16.67～33.33％和50.00～58.33％、3.00～6.18％和17.24～25.36％，气孔限制值增加了4.00～6.00％和34.38～53.13％，光合作用主要受气孔限制因素影响;生殖生长期叶片净光合速率进一步下降至5.08～7.39μmol m-2s-1，气孔导度减少了33.33～58.33％，非气孔限制因素成为抑制植株光合作用的主导因素;而锰胁迫对ME各生长发育时期叶片光合作用无显著影响。锰胁迫下各生长发育时期ME叶片PSII最大光化学效率、PSII有效光化学量子效率、光化学猝灭系数、实际光化学量子效率和光合电子传递速率均高于NME，分别为NME的1.01～1.32倍、1.01～1.73倍、1.02～1.74倍、1.01～3.03倍和1.01～2.94倍;而NME在锰浓度超过5000μM时叶片PSII光化学反应受到明显抑制，光合电子传递受阻，植株光合能力减弱，叶绿素a、叶绿素6、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别较对照减少了2.36～37.93％、6.25～42.86％、3.45～39.07％和4.35～41.67％。幼苗期2种生态型苍耳体内渗透调节物质含量和抗氧化酶活性与锰浓度呈正相关关系;随着膜脂过氧化作用的加剧，生殖生长期NME叶片和根系中丙二醛、超氧阴离子自由基和过氧化氢含量分别较对照增加了8.23～104.41％和8.00～71.44％、13.61～92.40％和10.60～78.80％、2.00～17.10％和2.00～18.15％，而ME体内的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量以及超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性均高于NME，分别为NME的1.04-1.87倍、1.08～1.44倍、1.04～1.25倍、1.06～1.55倍、1.15～2.14倍和1.25～2.45倍，表明ME对锰胁迫具有更强的耐性。
(4)2种生态型苍耳各器官的锰含量与锰胁迫呈浓度-效应和时间-效应关系增加。ME叶、茎、根和果实中的锰含量分别为1149.13～44838.35mg kg-1、595.95～14183.08mg kg-1、1811.34～27184.15mg kg-1和170.28～317.39mg kg-1，均高于NME相应器官中的锰含量，且2种生态型苍耳的转运系数、地上部分生物富集系数和根部生物富集系数均大于1。各生长发育时期ME亚细胞中的锰含量均为细胞壁组分(32.81～84.83％)＞核糖体组分(8.37～31.81％)＞叶绿体和细胞核组分(4.80～21.11％)＞线粒体组分(2.00～17.98％)，而NME则有较高比例(18.11-50.68％)的锰进入叶绿体、细胞核和线粒体。此外，ME中18.52～55.43％的锰为锰果胶酸盐和蛋白质结合态锰，9.21～39.29％的锰为锰磷酸盐，3.20～22.19％的锰为草酸锰，其他分别以残留态、乙醇和去离子水提取态存在;而NME根中则有29.68～65.38％的锰以迁移性和毒性较强的可溶态赋存于细胞中。
(5)锰胁迫下2种生态型苍耳转录组测序共获得171，127条unigenes，其中90959条被成功注释，构建了苍耳的转录组数据库。不同生态型苍耳叶片在转录水平对锰的响应不同:ME有18302条基因发生差异表达，其中10073条上调表达，8229条下调表达;而NME的差异表达基因为3326条，上调表达基因2222条，下调表达基因1104条。2种生态型苍耳叶片差异表达基因注释、富集的代谢通路相似，可能在苍耳体内存在整体性、系统性的基因网络调控其应对锰胁迫，而植物激素信号转导、MAPK信号通路-植物、ABC转运体和谷胱甘肽代谢等通路则是该网络的重要组成部分。本研究筛选、鉴定了11种信号感知与转导蛋白基因、10种重金属胁迫相关转录因子基因、24种编码金属转运蛋白相关基因、13种螯合物生物合成和谷胱甘肽代谢过程相关基因以及10种氧化胁迫防御机制相关的候选基因，初步构建了ME叶片锰防御和解毒的基因网络，为进一步揭示富集植物对锰累积与解毒的分子机制提供了理论依据。