镉是一种有毒的重金属,在土壤中有效性受到包括土壤水分和pH在内的各种因素的影响。由于土壤中镉的活性较容易受各种土壤条件变化的影响而改变,通过化学钝化修复治理方法的长效性难以确定。物理工程手段诸如换土、客土等方法则由于成本及修复不彻底等局限性,缺乏实际应用。植物修复或阻控是较好且实际易行的方法,而深入理解植物吸收、运输镉的分子机制对于植物修复或阻控的具有重要意义。镉在土壤中的活动性致使镉比较容易被植物吸收,从而进入食物链,普通非吸烟人群接触镉污染的主要途径就是食物链,因此限制镉进入食物链非常有必要。深入了解植物对镉的吸收机制可以更好地对症下药,预防镉进入作物的可食部分。而水稻、小麦和玉米等禾谷类作物作为人体最主要的碳水化合物来源,由于日常食用量较大,其镉含量则更是应该得到严格的监控与管理。对水稻镉吸收、运输分子机理的研究已经取得了一些进展,然而在小麦玉米上却缺乏相关的报道,这对通过基因工程等手段控制小麦玉米对镉的积累远远不够。本研究系统比较了不同作物对镉的吸收能力差异并分析可能引起这种差异的分子机制。然后从26个籽粒镉积累能力不同的水稻品种中找到一个显著籽粒高镉积累的品种,通过分析相应的染色体单片段替换系(CSSL)群体确认7号染色体上的一个贡献较大的QTL,采用图位克隆技术克隆目的基因,并验证基因功能,较好地了解了镉在水稻体内的吸收与转运等关键问题。取得的主要研究成果总结如下:1通过一系列水培试验证明,与小麦玉米相比,水稻根系对镉有更强的吸收能力,相同浓度的镉处理下,水稻根系镉含量较高,与锰元素存在吸收之间的拮抗作用,对镉吸收有更高的速率。生物信息学分析表明与水稻OsNramp5同源的基因小麦中有两个,命名为TaNramp5A和TaNramp5D,玉米中为ZmNramp5。酵母表达试验证明,OsNramp5比TaNramp5A、TaNramp5D、ZmNramp5有更强的转运锰和镉的活性,均定位在液泡膜,负责元素的根部细胞吸收。综上,Nramp5很可能是引起小麦、玉米、水稻镉吸收能力差异的原因。2通过多点大田实验及盆栽试验,证明在26个品种中W4是一个籽粒镉高积累的水稻品种。通过分析以W4为供体亲本,W0为受体亲本的108个CSSLs群体表型与基因型,确定7号染色体上有一个控制籽粒镉积累的QTL。通过选取包含目的基因的片段替换系与亲本W0杂交,构建F2:3作图群体,成功克隆到一个控制镉从水稻根部向地上部转移的基因OsHMA3。通过酵母异源表达及生物信息学信息分析得知,来源于W4的OsHMA3是一个全新的突变类型,不同以以往任何报道的突变类型,编码区42bp缺失引起对应蛋白质二级结构第6个跨摸域之后的14个氨基酸缺失和1个氨基酸替换造成了其蛋白功能的丧失。3通过克隆测序发现了 OsNramp5基因最后一个外显子上的单个SNP引起了在W0和W4之间的功能差异,并通过生理试验证明了相应的功能差异。通过筛选在OsHMA3和OsNramp5两个基因之间有交换的F2个体,发展F2:3群体,深入剖析了两个基因对W0和W4镉积累差异的影响,结果表明由OsHMA3突变引起镉向地上部分的转运增加是影响W4籽粒高积累的主要因素。4为阻控镉向水稻籽粒的转运,降低水稻籽粒含量,可敲除根部负责吸收的OsNramp5,可显著降低水稻籽粒镉含量;而小麦和玉米中,敲除Nramp5贡献可能不大,可能是由其他基因控制镉在小麦和玉米中的积累。另外超表达OsHMA3也是一种降低籽粒镉的积累的方法。小麦对镉影响较大的就是根部向地上部分的转运,应该是跟HMA3有关。