粮食安全是国之大者,保障粮食安全事关国运民生。土地盐碱化给粮食安全带来了严重阻碍。全球盐碱化土地面积超8.33亿公顷,超过15亿人因土地盐碱化而面临种植粮食作物的重大挑战。我国盐碱地面积超过5亿亩,给我国粮食安全带来重大隐患。耐盐碱作物能改良盐碱地,提高中低下产量盐碱地的作物生产力,对保障粮食安全有重大意义。糜子是抗逆先锋作物,也是未来智慧作物。对恶劣环境的适应可能促使糜子进化出独特的耐碱机制,但目前对糜子的研究集中在耐瘠薄、耐旱、耐中性盐胁迫上,关于糜子耐碱机制的相关研究还未见报道。揭示糜子耐碱的生理响应和分子机制,对耐碱作物分子育种、提高中低下产量盐碱地的作物生产能力、保障粮食安全有重要现实意义。本研究以296份糜子种质资源为试验材料,采用混合碱(摩尔比Na HCO_3:Na_2CO_3=9:1)模拟碱胁迫,通过测定萌发参数和幼苗生长参数对糜子耐碱性进行鉴定与评价,开展糜子萌发期和苗期对碱胁迫的生理响应研究。根据萌发期和苗期耐碱性鉴选结果,选定耐碱(T289)和碱敏感(S223)品种进行糜子根系、叶片和籽粒对碱胁迫的响应机制研究。主要研究结果如下:(Bioactive metabolites1)建立了糜子萌发期、苗期耐碱性评价体系,确定80 mmol·L~(-1)和40 mmol·L~(-1)标准碱胁迫浓度分别为糜子萌发期和苗期耐碱性鉴定的最适宜碱浓度。通过对296份糜子种质资源进行萌发期耐碱性鉴定,确定发芽指数、根鲜重、芽长是糜子萌发期耐碱性评价系统中的重要载荷因子,可作为萌发期耐碱性评价的主要参考指标。苗期鉴定表明,绿叶面积是最直观的耐碱性反映指标,可作为苗期耐碱性评价的直接指标。筛选出12份耐碱种质资源,41份碱敏感种质资源,可用于糜子适应碱胁迫的机理机制研究。(2)碱胁迫下,耐碱糜子品种表现出更强的抗氧化防御能力,萌发种子α-淀粉酶活性与发芽率呈正相关。碱胁迫降低了萌发种子的GA浓度但MLN8237抑制剂增加了ABA浓度,耐碱糜子品种的GA/ABA高于碱敏感糜子品种。实时聚合酶链反应分析表明,碱胁迫下调赤霉素(GA)合成基因,但上调GA失活和脱落酸(ABA)合成基因。苗期糜子生理响应研究表明,与碱敏感糜子相比,耐碱糜子丙二醛含量和电解质渗漏率较低,叶片气孔和根系结构更完整。碱胁迫抑制糜子对矿物质的吸收,减少生物量累积。(3)碱胁迫在S223(碱敏感)和T289(耐碱)根系中分别引起9306个和3624个基因差异表达,这些差异表达基因(DEG)显著富集LGK-974 NMR在植物激素信号转导、MAPK信号、苯丙素生物合成、ABC转运体、离子转运(离子结合、离子运输、跨膜运输)等代谢途径。转录组和代谢组联合分析表明,糜子上调苯丙素生物合成(4CL、CCR、CAD、POD、C3’H)和类黄酮生物合成(F3’5’H、F3’H、ANR)相关基因的表达水平以抵抗碱胁迫,但相关代谢物的积累受到抑制。(4)碱胁迫诱导S223(碱敏感)和T289(耐碱)叶片分别产生21113和12151个DEG,主要参与光合作用、碳水化合物代谢过程、激酶活性等代谢途径。碱胁迫下,S223启动更多的BGL和EG基因表达,通过牺牲生长来适应碱胁迫。T289生长素调节途径相关基因表达和生长素含量比S223高,使其在碱胁迫下维持较好的生长状态。碱胁迫下,T289的光合作用相关的基因表达水平高于S223,特别是PSⅠ、PSⅡ和ATP合酶相关基因。另外,T289在碱胁迫下的chl G相关基因表达水平高于S223,这直接决定了耐碱糜子更高的叶绿素含量。BR提高了碱胁迫下糜子叶片抗氧化酶活性,促进维持离子稳态,保持生理结构和光合特性。同时,BR显著降低了糜子的转录反应,促进了胆绿素、L-谷氨酸和磷酸等有效代谢物的积累。(5)碱胁迫抑制糜子籽粒发育,T289(耐碱)的粒长、千粒重、穗粒数优于S223(碱敏感)。碱胁迫促进糜子籽粒中总酚、总类黄酮、γ-VE等抗氧化物质的积累。碱胁迫在S223和T289籽粒中分别引起114种和89种非挥发性代谢物以及16种和20种挥发性代谢物差异积累,涉及苯丙素、类黄酮、黄酮和黄酮醇、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成途径,以及精氨酸、脯氨酸、色氨酸和抗坏血酸的代谢途径。糜子籽粒通过激活酚酸、类黄酮、抗坏血酸相关的生物合成与代谢途径,同时促进氨基酸和有机酸的积累来抵抗碱胁迫。综上所述,本研究结合生理学和多组学,从多个角度揭示了糜子耐碱的机理机制,为耐碱植物分子育种和盐碱地改良提供了理论依据,有助于保障国家粮食安全。