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根系在植物对营养物质的获取过程中起着至关重要的作用。氮和磷是植物生长发育必不可缺的两种大量营养元素。杨树(Populus L.)分布广泛,生长迅速,适应性强,是我国北方地区人工林的主要树种之一。杨树人工林往往被种植在氮磷缺乏的土壤中,因此极大地限制了它们的经济及生态价值。目前关于杨树受到氮磷亏缺胁迫后,杨树对氮磷的吸收利用机制及氮素对杨树吸收利用磷素的影响的研究很少。土壤中磷素存在空间异质性,然而目前对杨树适应磷素空间异质性过程中的分子转录调控还不清楚。因此,本研究首先以7种杨树基因型为研究对象,分析细根对氮磷吸收利用的差异;随后,筛选根系生长差异显著的两种杨树基因型,研究两者应对氮磷亏缺的生理与转录调控差异及氮素对杨树细根吸收利用磷素影响的作用机制;最后,通过RNA-seq技术研究杨树细根响应磷素空间异质性的转录组调控机制。主要结果如下:对小叶杨、欧美杨、美洲黑杨、欧洲黑杨、群众杨、84K杨和中华长青杨这7种杨树基因型插条进行氮(8或0 mM NH4NO3)、磷(2或0 mM KH2PO4)处理,研究发现,欧美杨细根中的总磷、总氮最多,且根系生物量和细根参数如细根总长、细根总表面积大于其他6种杨树。而小叶杨细根中磷、氮含量较高,但是磷、氮总量较低,同时,欧美杨与小叶杨间的生长特征对比明显。因此,以欧美杨和小叶杨为研究对象,深入研究它们响应氮磷亏缺的生理与转录调控机制。为了阐明杨树细根应对磷、氮亏缺的生理与转录调控机制,以筛选到的欧美杨和小叶杨进行磷、氮处理。研究发现,欧美杨编码磷酸根、铵根和硝酸根转运蛋白的关键基因的转录调控响应能力强于小叶杨,从而促进自身更快的生长。在两种杨树基因型中,缺磷或氮磷全缺处理引起磷含量的显著降低及磷利用效率的升高。缺氮或氮磷全缺使小叶杨和欧美杨氮含量显著降低、氮磷用效率升高。为了适应氮磷养分亏缺,两种杨树增强了根中PHT1;5、PHT1;9、PHT2;1、AMT2;1、NR及叶中PHT1;9、PHO1;H1、PHO2、AMT1;1和NRT2;1等与磷、氮吸收利用相关基因的表达水平。这些数据表明,两种杨树通过改变细根对磷、氮的吸收利用从而适应磷、氮养分亏缺过程。为了研究氮素对杨树细根吸收磷素的影响,对小叶杨和欧美杨在正常磷(2 mM KH2PO4)和低磷(0 mM KH2PO4)条件下进行不同浓度的氮素(8、1、0 mM NH4NO3)处理。研究发现,低氮胁迫对杨树吸收利用磷素的影响包括生理和分子两个方面。低氮胁迫可以通过调整根系结构,降低APs、PEPC和MDH的活性,减少苹果酸、柠檬酸和氨基酸的含量和相关蛋白质的合成从而限制杨树细根对磷素的吸收。同时,氮素胁迫通过诱导氮素限制适应(Nitrogen limitation adaption,NLA)的上调表达,增强PHO2的mRNA水平,进而抑制PHT1;1,PHT1;4的mRNA水平,限制植物对磷素的吸收、转运和利用。在杨树适应低磷胁迫的过程中,调控因子PHR1在其中起着关键的作用,它诱导了小叶杨和欧美杨细根中PHT1;1、PHT1;4、PHT1;9、PAP和SQD2的转录表达,并抑制了PHO2和NLA的表达,从而增强了两杨树基因型对土壤中磷素的获取能力及对体内磷的再循环利用。对小叶杨进行空间异质性磷处理,以阐明杨树响应土壤磷素空间异质性的生理与转录组调控机制。研究发现,与均匀正常磷(2 mM KH2PO4)及均匀低磷(0.2 mM KH2PO4)处理相比,异质化磷(1/2 2 mM KH2PO4,1/2 0.2 mM KH2PO4)处理的正常磷及低磷区域小叶杨细根中分别有3345个和1477个的基因发生了差异表达,其中的大部分组成了协同表达网络,参与了小叶杨细根对异质化磷处理的共调控。GO富集分析表明,大量的GO terms与非生物胁迫、有机酸的合成与转运、调控基因表达以及信号传递等相关。MYB结构域家族蛋白、WRKY及bHLH家族调控因子是植物体内重要的调控网络组成成分,在小叶杨适应异质化磷的过程中起着重要的调控作用。当小叶杨受到低磷胁迫后,它们能够激活植物体内一系列磷饥饿应答反应,如诱导磷酸根转运载体蛋白PHT1;4及酸性磷酸酶基因PAP29上调表达,从而增强小叶杨细根对土壤中磷的吸收利用。