采矿和化肥使用等人类活动导致重金属镉(Cd)在土壤中过量积累。Cd是植物生长的非必需元素,对植物具有较大毒性。Cd被植物吸收后会通过食物链进入人体,危害人类健康。因此,Cd污染土壤急需治理。植物修复技术是利用植物吸收土壤中的重金属,并将其富集到地上的易收获部分,该技术既高效且环保。木本植物杨树根系发达、生长迅速、地上部分生物量大,是重金属污染土壤植物修复的优良候选植物。已有研究发现,杨树可以超富集Cd并且表现出较强的耐受性,然而,由于种内的遗传差异,在不同的无性系之间可能存在Cd富集和耐受性上的差异,同时,有关杨树在整株水平上对Cd的生理和分子响应机制研究较少。本研究首先探索了不同杨树品种对Cd积累、转运和耐受性上的差异；随后,深入研究了杨树对Cd吸收、转运和积累的分子生理调控机制；最后,明确了过表达y-glutamylcysteine synthetase基因杨树富集Cd的作用机理。主要研究结果如下：1.不同杨树对Cd的耐受性差异研究对收集到的7种杨树进行的0或200μM的Cd处理20天,随后进行Cd耐受性进评价,研究发现：Cd胁迫降低了5种杨树,如美洲黑杨(Populus deltoides)、欧美杨(Populus×euramericana)、84K杨(Populus alba×Populus glandulosa)、群众杨(Populus popularis)和中华长青杨(Populus cathayana)的净光合速率。与其它6种杨树相比,灰杨的地上部分Cd含量最高,同时生物富集系数(BCF)和转运系数(Tf)也最大。与对照相比,Cd诱导了灰杨(Populus×canescens)可溶性糖和淀粉的积累。这些结果表明,与其它6种杨树相比,灰杨具有相对较强的Cd富集能力和耐受性。在植物修复潜力方面,灰杨优于其它6种杨树。2.灰杨对Cd2+吸收的时空动态变化规律及对不同Cd处理时间的生理响应对灰杨进行50μM的Cd处理1天后,根尖对Cd2+有较强的吸收,随着Cd处理时间的延长,细根对Cd2+的吸收有降低的趋势。大量的Cd在灰杨的根、皮和叶中富集。与对照相比,Cd胁迫降低了光合碳同化速率,却未抑制可溶性糖的合成。Cd处理使根、木材和叶中的活性氧类物质(ROS)的含量增加,并且Cd处理时间越长其含量越高。为了清除Cd诱导的过量产生的ROS,灰杨诱导了非酶类抗氧化物可溶性酚的积累,皮中的含量要显著高于其它组织。其它自由基清除剂如游离脯氨酸和糖醇的含量以及抗氧化酶的活性对Cd的响应表现出了组织和Cd处理时间的特异性。3.灰杨响应Cd胁迫的解剖、生理以及转录谱调控机制Cd在灰杨皮中主要富集于韧皮部,Cd在韧皮部主要定位在液泡中。Cd处理使灰杨皮中参与显微结构调节、营养元素和主要能量代谢调节及逆境应激反应的基因发生了差异表达,约有48%的差异基因组成了基因协同表达调控网络。Cd处理降低了皮中总N、P和Ca的含量,却增加了S的含量。Cd处理诱导了ROS和抗氧化物,如游离脯氨酸、可溶性酚、抗坏血酸和总硫醇的积累。这些结果表明,良好的解剖、生理和转录谱调控网络是灰杨对Cd吸收、积累和转运的关键影响因素。4.过表达γ-glutamylcysteine synthetase基因杨树增强Cd2+吸收与积累的生理与转录调控机制对水培野生型和转基因杨树进行100μM的Cd处理80天后,两种基因型杨树均在pH为5.5,外源Ca2+浓度为0.1mM时对Cd2+有最大净吸收,转基因杨树对Cd2+的吸收速率要大于野生型。无论是否进行Cd处理,参与Cd吸收和转运的关键基因如PCS,ZIP6.2, NRAMP1.3和PCR2在转基因杨树根中的的表达水平均要高于在野生型杨树的根中。与野生型相比,转基因杨树的地上部分富集了更多的Cd,然而,光合和生物量受Cd的抑制作用却相对较弱。Cd诱导了可溶性糖和淀粉在转基因杨树中的显著积累。此外,与野生型相比,ROS在转基因材料的含量较低,而总硫醇、GSH和GSSG以及可溶性酚和游离脯氨酸含量较高,叶中GR的活性较大。这些结果表明,转基因杨树具有比野生型更强的Cd耐受性。