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水稻是全世界最重要的粮食作物之一,提高水稻产量和稻米品质是科研工作者们一直奋斗的目标。然而,随着工业的发展,环境污染日益突出,不少耕地重金属的超标成为了粮食安全的巨大威胁。所以,研究水稻积累重金属的机理,进而为培育高产优质的绿色水稻提供思路和线索,具有重要的意义。锰(Mn)是植物生长必需的微量矿质元素,植物缺Mn或摄入过量的Mn均会影响植物生长发育；镉(Cd)是植物生长非必需的矿质元素,对几乎所有生物体都有严重的毒害作用。本研究通过对水稻中三个NRAMP基因的功能研究,发现并鉴定了它们在Mn和Cd的吸收或转运上发挥的功能。主要结果如下：我们对OsNRAMP5的功能研究发现,OsNRAMP5除了在水稻根中有很高的表达之外,还在颖壳、叶片等组织表达,且OsNRAMP5在叶片的表达会随着叶龄的增加而降低。基于启动子融合GUS的染色和原位杂交的显微观察,OsRAMPS被发现在根和地上部维管束系统的表达远高于其它部位,而在维管束的表达主要集中在木质部附近的薄壁细胞。对OsNRAMP5的功能缺失突变体osnramp5分析发现,osnramp5在低Mn情况下长势严重受阻,植株体内Mn积累含量远低于野生型。进一步的研究发现,即便osnramp5突变体根中积累了远高于野生型根中的Mn浓度,依然不能将Mn有效地转移到地上部中去,这说明OsNRAMP5突变阻断了Mn从根往地上部运输的过程。另外,在低Mn的情况下,osnramp5突变体根中Fe浓度远高于野生型。我们通过对目前已知的重要Fe转运蛋白基因进行表达量分析,发现osnramp5突变体中Fe积累高于野生型是由于突变体根中OsNRAMP1、Os1RT2、 OsYSL2以及OsYSL15这四个Fe相关基因的显著上调引起的。水稻中Mn和Cd的吸收转运存在显著的拮抗现象,但OsNRAMP5功能缺失后,拮抗作用则不明显,这说明这种Mn和Cd的拮抗是由OsNRAMP5参与引起的。对种质资源中OsNRAMP5序列多样性分析还发现OsNRAMP5在自然进化中非常保守并受到了很强的纯化选择。通过对OsNRAMP3的功能分析,我们发现OsNRAMP3特异性地在水稻维管束系统表达,且表达主要集中在韧皮部细胞。OsNRAMP3编码一个定位于细胞质膜的蛋白,且该蛋白在酵母中具有由胞外向胞内转运Mn2+的活性。当OsNRAMP3在水稻中功能缺失时,植株会在低Mn情况下长势显著弱于野生型,而在正常或更高Mn供应情况下与野生型之间没有明显的表型差异。功能缺失突变体osnramp3在低Mn供应下的表型主要表现在幼叶和幼根根尖的严重坏死,而老叶没有表型。然而元素测定显示,低Mn供应下突变体幼叶中的Mn浓度并不低于野生型,这说明幼叶中的Mn缺乏症状是由于Mn分配不均引起的。另外,与野生型相比,osnramp3突变体将更多的Mn积累在老叶中。简言之,OsNRAMP3是一个维管束特异表达的Mn转运蛋白,参与了韧皮部介导的Mn在老叶和幼叶片中的分配。我们对OsNRAMP6的功能分析显示,OsNRAMP6编码的蛋白定位于细胞质膜,并在酵母中具有Cd2+转运活性而不具有Mn2+转运活性。OsNRAMP6在地上部的表达远高于根中的表达,且在地上部的表达主要集中在幼叶。OsNRAMP6表达缺失后,会导致植株株高变矮及根长变短,但并不影响植株根、地上部及不同叶片的Cd积累。然而,OsNRAMP6表达上调会导致植株在老叶中Cd浓度显著升高。所以,我们推测OsNRAMP6对水稻叶片的Cd积累有一定的贡献。