血红素加氧酶-1(hemeoxygenase-1，HO1)是催化血红素降解产生一氧化碳(CO)、胆绿素及二价铁离子的关健限速酶。植物中HO1参与光敏色素前体的合成，具有抗氧化及促进侧根发育等功能。铁是植物必需的营养元素，缺铁会引起植物叶片黄化，影响作物的产量和品质。先前我们的研究发现CO能调节拟南芥缺铁反应，而HO1降解血红素产生的CO是植物体内CO的唯一来源。本文旨在研究AtHO1HY1）在调节拟南芥缺铁胁迫响应中的作用。三价铁还原酶(FCR)能将土壤中的Fe3+转化为Fe2+以利于植物对有效铁的吸收。拟南芥在缺铁后，AtHO1在转录和翻译水平上均被诱导。HO1的激活剂Ht能促进根中FCR的活性，而CO的清除剂Hb却抑制了缺铁诱导的FCR活性。为了证实以上结果，我们构建了AtHO1过表达和下调表达的转基因植株。结果表明，AtHO1过表达（35S:HO1）株能缓解植株缺铁失绿现象，促进铁吸收相关基因AtFIT1，AtFRO2，AtIRT1的表达，诱导FCR的活性和增加铁的积累与利用。而在AtHO1下调表达（35S:AntiHO1）转基因株系及突变体（hy1）中，得到了相反的结果。缺铁后，与野生型相比，35S:HO1植株中具有较高水平的CO、水溶性铁及较低水平的血红素含量。由此推测，AtHO1调节铁平衡可能依靠代谢血红素产生的CO及游离的铁。一氧化氮(NO)被认为是调节铁平衡的有效信号分子。AtHO1和NO在缺铁调控中的关系在本文中也进行了探讨。AtHO1过表达植株在缺铁时根系会产生比野生型更多的NO，而35S:AntiHO1植株根系中NO含量较少。另一方面，在缺铁条件下，NO的清除剂cPTIO抑制了AtHO1诱导FCR活性，NO供体（SNP或NONOate）促进了AtHO1突变体hy1中FCR的活性，但HO1的激活剂Ht对hy1中FCR活性没有影响。这些结果暗示AtHO1调节铁平衡依赖于NO。　　镉(Cd)是植物的非必需元素，也可以通过铁的吸收系统进入植物体内，由于其与铁吸收有竞争关系，因此植株在Cd胁迫下会减少植株对铁的吸收而表现出缺铁失绿症状。本文研究结果显示AtHO1能被Cd诱导。进一步对转基因植株35S:HO1及35S:AntiHO1在Cd胁迫下的研究发现AtHO1过表达植株对Cd具有较高的耐性。35S:HO1植株在Cd处理下（尤其是200μMCd处理下）地上部分叶绿素含量明显高于野生型。同时，35S:HO1植株地上部分和地下部分的干重都高于野生型，并且35S:HO1植株叶片中H2O2及TBARS积累量也明显少于野生型。通过Cd含量测定发现AtHO1过表达植株地上部分Cd含量较野生型少，Cd从地下往地上的转运率也低于野生型，但35S:HO1植株根中的Cd含量却高于野生型。AtHO1在缺铁的情况下可以促进铁吸收相关基因（FIT1，IRT1，FRO2）的表达，这些基因也有助于植株对Cd的吸收。为此，我们检测了这三个基因的表达情况，观察到AtHO1在Cd胁迫下能诱导FIT1，IRT1，FRO2的表达。35S:HO1植株根中吸收了更多的Cd，但仍表现一定的耐性，因此我们检测了定位于液泡膜上的金属螯合基因MTP3的表达，发现Cd胁迫下，MTP3在AtHO1过表达植株中表达明显高于野生型，而AtHO1下调表达的植株中MTP3表达低于野生型。为了证实AtHO1具有调节植物对有毒重金属的耐性，我们同时研究了拟南芥对汞(Hg)的毒性反应。Hg也是植物非必需元素。高浓度的汞对细胞毒性很强，可造成植物枯萎，甚至死亡。汞对细胞的毒害作用主要是通过诱发大量活性氧的产生，导致植物氧化伤害。本文研究表明AtHO1过表达也能缓解Hg对植株生长的抑制作用，减少叶片中H2O2产生和TBARS的积累，降低了对Hg产生应激反应的PCS1和RbohD基因的表达。　　植物对缺铁的响应是一个复杂的过程。迄今为止，人们发现了两个主要的关键因子（PYE和FIT1）介导缺铁反应。为了深入而全面地了解植物响应缺铁的主要基因及相关调控机制，我们通过生物信息学方法分析了拟南芥中参与PYE和FIT1缺铁调控途径中的相关基因，建立了相关的调控模型。通过共表达分析，鉴定到11个和PYE共表达的基因（参与PYE途径），17个和IRT1共表达的基因（参与FIT1途径）。其中有15个基因（包括PYE和FIT1）已通过分子遗传学鉴定参与了缺铁调节，而另外15个基因(At2g42750、At5g05250、ORG1、At5g38820、At3g12900、At1g74770、CEL5、At2g39040、At3g12540、At1g73120、At3g61410、MYB10、GSTL1、At3g61930)到目前还没有相关的报道。我们将这些基因视作为缺铁响应的候选基因。另外，通过启动子分析及芯片数据参考，预测到一些顺式元件及相应的转录因子(如:ERFs，ABFs，GBFs，ARFs，NACs，WRKYs)参与了PYE和FIT1调控途径。通过对pye和fit突变体缺铁芯片数据分析，发现PYE不仅能调控自身途径中的共表达基因，而且对FIT1途径中的某些基因也有影响，而FIT1只对与IRT1共表达的部分基因有调节作用。另外，据已有报道PYE-module中的基因BHLH039或BHLH101可以和FIT1形成二聚体，从而调控下游基因表达。根据本文的分析结果，我们建立了拟南芥响应缺铁调控的模型，并推测PYE调控途径可以通过BHLH039和BHLH039基因与FIT1调控途径相互联系，并且PYE调控途径有可能位于FIT1调控途径的上游，从而有序地调节植物的缺铁反应。　　microRNA(miRNA)是一种非编码蛋白质的小分子RNA(smallRNA)，主要通过对靶基因的负调控去影响生物学过程。植物响应外界胁迫的过程中也有众多microRNA参与。为此，我们对响应缺铁的microRNAs进行了鉴定和分析。2011年已有学者根据高通量和降解组的数据库对水稻和拟南芥全基因组中miRNA和靶基因的一一对应关系做了预测和分析。基于这个结果，我们发现拟南芥的180个缺铁响应基因中有15个缺铁响应基因被预测为16个miRNA家族(miR158a、miR164c、miR1887、miR2111ab、miR3933、miR395ade、miR837-3P、miR837-5P、miR861-5P)的靶基因。通过Poly(T)adaptorRT-PCR方法对这16个miRNA成熟片段在缺铁0，1，3和5d的表达变化做了检测，结果发现，除了miR158a和miR837-5P之外，其他的miRNA在缺铁条件下表达都明显上调，但miR861-5P和miR857在缺铁3d时表达才有变化，这可能是缺铁引发的次级反应（如氧化胁迫等）诱导的。因此我们把除miR861-5P和miR857以外的12个miRNAs看着是直接或间接调控缺铁反应的候选miRNAs。