森林作为地球上最大的陆地生态系统,在调节气候变化与维持生态平衡中发挥了不可替代的作用。随着人类社会经济的迅速发展,对木材产量与质量的需求也在不断增加,现代林木遗传改良工作在林业中的重要性也日益凸显。因此,当前,林木育种的主要目标是利用现代生物技术手段来缩短育种周期、提高木材品质与改良繁殖效率等重要性状。细胞分裂素作为世界上公认的六大植物激素之一,在植物生长与发育过程中发挥着重要且广谱性的调控作用。在林木中,细胞分裂素可以影响树木根和茎的生长、维管形成层的发育及叶片衰老等过程,但其具体的调控机制还未被探索和揭示。因此,探究细胞分裂素代谢的调控机制,揭示其对林木生长和木材品质的遗传调控作用,为分子标记辅助育种提供理论指导。为此,本论文以毛白杨(Populus tomentosa)种质资源群体为材料,利用广泛靶向代谢组LS/MS-MS技术系统分析了植物激素代谢物在群体中的遗传变异规律。利用高通量测序技术和生物信息学手段系统阐明了毛白杨响应细胞分裂素的生理、光合及分子水平变异模式。进一步在毛白杨全基因组中鉴定细胞分裂素通路基因,并利用生物信息学方法预测参与通路调控的转录因子。利用多组学手段构建细胞分裂素代谢通路调控网络,解析细胞分裂素合成代谢通路相关基因响应植物激素的遗传调控作用。最后利用联合遗传学解析候选基因等位变异对毛白杨生长和木材品质的遗传效应,同时揭示了等位特异性表达(Allele-specific expression,ASE)中显性效应的内在机制。主要研究结果与结论如下:1. 以毛白杨种质资源群体中435株个体为材料,利用广泛靶向代谢组方法进行植物激素相关代谢物的群体遗传变异分析。共检测到15种植物激素类代谢物,包括吲哚-3-羧酸、激动素9-核糖苷、反式玉米素N-葡萄糖苷、反式玉米素O-葡萄糖苷、吲哚-3-乙酸、N6-异戊烯腺嘌呤、反式玉米素、顺式玉米素、二氢茉莉酸、1-萘乙酸、水杨酰己糖苷、茉莉酸、水杨酸、赤霉素A3与茉莉酸-异亮氨酸。通过变异系数分析与遗传力估算,表明这些代谢物主要受遗传控制,尤其是细胞分裂素类物质代谢。皮尔森相关性检验显示细胞分裂素与多种代谢物之间存在潜在的互作关系。2. 以一年生毛白杨无性系植株为材料,进行外源细胞分裂素(6-BA)处理试验,测定处理组和对照组的生理指标和光合指标参数。结果显示,当在6-BA处理24 h之内,毛白杨的总蛋白含量、蔗糖磷酸合酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)活性、过氧化物酶(Peroxidase,POD)活性和丙二醛(Malonaldehyde,MDA)含量均发生显著变化,其中当6-BA处理后6 h时,毛白杨的生理变化最为显著,处理后28天,6-BA可以显著降低毛白杨的Pn、Gs和Tr。结果表明外源细胞分裂素可显著影响毛白杨的生理与光合性状。3. 利用RNA-seq技术检测到响应6-BA差异表达的501个基因。通路富集分析显示响应基因与催化和代谢过程相关。在毛白杨全基因组范围内检测到6,283个lnc RNA,这些lnc RNA表现出比编码蛋白的m RN A长度较短、表达量较低。其中,共发现响应6-BA的262个lnc RNA,靶基因预测发现210个潜在的顺式靶基因和214个潜在的反式靶基因。基因功能注释与通路富集分析显示这些lnc RNA的潜在靶基因可能参与多种代谢水解与氧化还原过程。利用small-RNA测序技术进行24nt siRNA检测,结果表明,在6-BA处理下,24nt siRNAs的多样性和丰度急剧下降。共发现响应6-BA的15,793个24nt siRNA clusters,其绝大部分存在于基因间隔区。在此基础上,利用了RNA-seq进行了等位不平衡位点的鉴定和筛选,共检测到响应6-BA的102,819个位点发生了等位不平衡表达水平变异,并且多存在与基因外显子区。利用高通量甲基化测序技术检测到响应6-BA变化的566个差异甲基化区域(英文全称,DMR)。通过对DMR区域内的基因组元件进行表达水平分析及ASE水平分析,解析了DNA甲基化对基因组元件的转录调控作用。结果发现在6-BA处理下,蛋白编码基因等位差异性表达的程度减小。而lnc RNAs基因在6-BA作用下等位差异性表达调控则趋于不平衡,即等位差异性程度增大。4. 依据公共数据库中已知信息,在毛白杨基因组中鉴定到69个细胞分裂素通路基因及其相关的121个转录因子。构建由细胞分裂素响应基因、细胞分裂素通路基因及其相关转录因子组成的候选基因集。对其在6-BA处理下的表达模式进行检测,结果显示,86.78%的候选基因响应6-BA处理,表明其在细胞分裂素合成、代谢及信号转导中的重要作用。利用毛白杨群体重测序数据,在569个基因内共检测到37,916个常见SNPs(MAF≥0.05,missing≤20%),核苷酸多态性与连锁不平衡水平较低,且在长度为735bp距离内,r~2衰退至0.2以下,表明基于候选基因的关联作图是可行的。5. 利用多组学手段在569个候选基因内检测到37,916个变异位点、271个基因的表达量,以及15种植物激素代谢物含量,并进行了代谢组关联分析、eQTL分析和共表达相关性分析,结果共发现调控4种代谢物的954个SNPs,2,634,581个eQTL位点,以及122组代谢物含量与基因表达量显著相关。基于关联分析和eQTL分析共同检测到的SNP位点构建了毛白杨叶片中代谢物-基因表达水平-遗传位点的三维互作关系,其中包含2种代谢物、146个SNPs和10个基因。对调控两种代谢物的主效SNPs进行了深入研究,结果发现Pto WRKY42基因上的主效位点G547＿115作为trans-eQTL调控了Pto UGT76C1的表达且影响了反式玉米素氮葡萄糖苷(ZNG)含量,Pto UGT76C1编码蛋白可催化反式玉米素的降解为反式玉米素氮葡萄糖苷,影响了内源细胞分裂素的代谢过程。此外,Pto WRKY49基因上存在主效位点G501＿5,可作为trans-eQTL调控突触融合蛋白编码基因Pto SYP121的表达且影响了吲哚-3-羧酸(ICA)含量,该基因在ICA的作用下可促进淀粉水解生成胼胝体,从而抵抗腐殖性病菌的侵染,在植物抗生物胁迫中发挥重要作用。6. 利用联合遗传学策略解析了569个候选基因遗传变异对毛白杨生长与木材品质的遗传效应,共检测定到152个SNPs,与7个生长和木材品质性状(DBH、V、HEC、HC、AC、LC、FW)组成了182对关联(P<2.62E-5)。其中24个SNPs表现出显著的显性效应(d/a>2)。利用ASE分析解析显性效应机制,发现受siRNA＿cluster＿32657调控的DMR＿Chr02＿24663250发生半甲基化,介导TCONS＿00053467-MIK2同源基因的等位差异性表达,在TCONS＿00053467对胸径和材积的显性效应中发挥重要作用。