我国部分耕地受重金属污染，利用重金属超富集植物修复污染耕地具有经济和环境友好的特点。金属硫蛋白（Metallothionein,MT）是一类富含半胱氨酸的低分子量蛋白，具有结合重金属的能力，在调控重金属积累与富集中起重要作用，因此，与植物耐受和富集镉等重金属的能力密切相关。根据前人研究，甘蔗具有耐受和富集铜、镉等重金属的能力，考虑到甘蔗还具有高生物量、可多年宿根等特点，因此，基于重金属超富集植物的视角，研究重金属胁迫下甘蔗的生理响应，克隆甘蔗金属硫蛋白家族基因并分析它们在重金属应答中的功能，有助于深入研究MT家族基因的功能，并为评价甘蔗是否具有作为重金属修复物种利用潜力奠定基础，选题具有重要的现实意义和理论意义。本研究以甘蔗热带种Badila为材料，通过重金属离子Cu2+、Zn2+或Cd2+胁迫下甘蔗表型、地上部和地下部富集重金属离子的水平以及相关生理生化物质的测定，并进一步在克隆获得4个分属于不同亚家族成员的甘蔗金属硫蛋白家族基因的基础上，研究甘蔗MTs基因的响应特点及其组织表达特性，初步探讨了重金属胁迫下的甘蔗生理响应以及甘蔗不同类型MTs基因在甘蔗应答重金属胁迫中的功能。主要研究结果和结论如下：　　1、甘蔗组培幼苗耐受与富集重金属Cd、Zn或Cu的生理特性　　甘蔗组培幼苗能够耐受一定程度的重金属Cd（100μM）、Zn（500μM）或Cu（100μM）的胁迫，并在处理期间无明显的中毒症状。在胁迫初期（6 h），地上部丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量升高、过氧化物酶(Peroxidase,POD)活性增加、过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性和脯氨酸（Proline，PRO）含量下降，表明地上部氧化胁迫加剧；Cd2+和Cu2+胁迫后期（48 h），MDA含量下降、POD活性降低、CAT活性和PRO含量增加，推测甘蔗地上部组织抗氧化机制开始激活并逐渐适应胁迫环境。在高浓度重金属Cd（250μM）、Zn（1,000μM）或Cu（250μM）的胁迫下，甘蔗Badila组培苗地上部和地下部能富集到Cd2+、Zn2+、Cu2+的含量分别为7.83 mg/kg和223.33 mg/kg、228.63 mg/kg和1,165.67 mg/kg、16.02 mg/kg和404.70 mg/kg，并出现可逆的毒害症状。　　2、甘蔗金属硫蛋白家族基因的克隆与序列分析　　采用同源克隆的方法，获得了4个MTs基因。其中：　　获得1个1型MT基因，命名为ScMT1（GenBank登录号：KJ504373），ScMT1的cDNA序列结构如下：开放读码框长228 bp，编码75个氨基酸，基因组序列含1个内含子（283 bp）、2个外显子（52 bp和176 bp）。　　获得1个2型MT基因，命名为ScMT2-1-4（GenBank登录号：KJ504375），ScMT2-1-4的cDNA序列结构如下：开放读码框长252 bp，编码83个氨基酸，基因组序列含2个内含子（483 bp和853 bp）、3个外显子（64 bp、87 bp和101 bp）。　　获得1个3型MT基因，命名为ScMT3（GenBank登录号：KJ504374），ScMT3的cDNA序列结构如下：开放读码框长198 bp，编码65个氨基酸，基因组序列含1个内含子（259 bp）、2个外显子（50 bp和148 bp）。　　获得1个1型MT基因的亚型，命名为ScMT6（GenBank登录号：KJ504376），ScMT6的cDNA序列结构如下：开放读码框长243 bp，编码80个氨基酸，基因组基因含2个内含子（166 bp和114 bp）、3个外显子（58 bp、84 bp和101 bp）。　　生物信息学预测显示，上述4个MTs基因所编码的蛋白均属于非分泌型酸性亲水蛋白，分布在细胞质中的概率最高，主要功能是转运和锚定作用，均无β螺旋结构，符合MT基因特点。　　3、重金属胁迫下甘蔗金属硫蛋白基因的表达模式　　利用实时荧光定量PCR技术，检测了Cd（250μM）、Zn（1,000μM）、Cu（250μM）胁迫0 h、6 h、24 h和48 h时间点的MT基因表达量。结果表明，从甘蔗中分离获得的4个MTs基因对重金属胁迫响应的模式存在差异。　　甘蔗地上部和地下部中ScMT1基因的表达水平在Cd2+处理的前期和中期无明显变化，但后期显著上调表达，甘蔗地下部ScMT1对Cu2+胁迫的应答模式也是如此，ScMT1在甘蔗地上部受到Zn2+胁迫的诱导而呈总体显著上调表达。上述说明ScMT1在甘蔗地下部响应Cd2+和Cu2+胁迫以及地上部响应Cd2+胁迫中表现出正响应和一定的延迟效应，地上部全程正响应Zn2+胁迫并未出现延迟效应。　　甘蔗地上部中ScMT2-1-4正响应重金属胁迫，表达量显著提高，说明了ScMT2-1-4主要在地上部发挥积极作用；在地下部中，ScMT2-1-4的响应呈变化态势，Cd2+胁迫下呈下调表达，Zn2+胁迫下先上调后下调，Cu2+胁迫下呈初期和后期无显著变化但中期大幅度上调表达，提示了ScMT2-1-4在甘蔗响应重金属胁迫中起积极作用。　　Cd2+胁迫下，ScMT3在地上部上调表达不明显，而地下部呈总体下调表达，提示了ScMT3甘蔗响应Cd2+胁迫过程中不起主要作用。在地上部中，ScMT3在Cu2+或Zn2+胁迫下呈持续显著上调表达；地下部中ScMT3转录水平的显著上调仅发生在处理前期，在处理中、后期则迅速下调且与对照无显著差异；提示了ScMT3主要在甘蔗地上部响应Zn2+或Cu2+胁迫过程中起积极作用。　　植物MTs亚家族的新成员ScMT6对重金属胁迫的应答稍有滞后，但不论在甘蔗地上部还是地下部中，其在Cd2+、Zn2+或Cu2+胁迫的中、后期均大幅度上调表达，在地上部和地下部中，ScMT6在Cd2+，Zn2+或Cu2+胁迫下的最大表达丰度分别为对照的235.09倍和18.42倍、3.88倍和4.25倍、449.19倍和26.67倍，提示了ScMT6基因在甘蔗响应Cd2+、Zn2+或Cu2+胁迫过程中发挥更积极的作用，值得重点研究。