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糖料甘蔗制糖业是广西支柱产业，广西糖料甘蔗种植面积和产量位居全国首位，而重金属污染是广西突出的环境问题之一，重金属在甘蔗体的吸收累积直接影响甘蔗品质，甘蔗制糖食品的安全引起高度关注。本研究以广西主栽的糖料甘蔗“台优”为试验材料，采用土培盆栽试验，研究不同浓度Pb胁迫下，甘蔗对Pb吸收累积特性及Pb对甘蔗生长的影响，并从光合荧光特性、抗氧化系统方面探明甘蔗对Pb生理响应机制，从细胞水平和分子水平揭示甘蔗对Pb耐性和解毒机理，为培育高耐性低累积的甘蔗品种提供理论基础，对于指导甘蔗在重金属污染农用地安全生产具有重要意义。取得的主要研究结果如下:
(1)甘蔗属于Pb高耐受性植物，在各Pb胁迫浓度下能正常生长且未见明显表观毒害症状。甘蔗体内的Pb富集量为:根＞叶＞茎，甘蔗根系对Pb的累积显著高于其地上部分，Pb从甘蔗根系向茎和叶的转移能力较弱，甘蔗可食部分茎中Pb富集量最少。Pb对甘蔗生长有“低促高抑”作用，Pb胁迫浓度为250.0 mg/kg时可以促进甘蔗的生长，而Pb胁迫浓度为1250.0mg/kg及以上时则显著限制了甘蔗的生长。甘蔗根系对Pb的固定和截留，限制Pb向地上部分转移，减轻Pb对甘蔗的毒害，是甘蔗对Pb的耐性机制之一。
(2)低浓度Pb胁迫促进光合作用，有利于甘蔗生长，高浓度Pb阻碍光合作用，抑制甘蔗生长。甘蔗光合速率的下降，主要受气孔开度的影响。在高浓度Pb的胁迫下，气孔关闭可能是甘蔗减少Pb进入体内的一种保护机制。甘蔗受到一定浓度Pb胁迫时，增加了非光化学猝灭，甘蔗通过增加热耗散来减轻Pb胁迫，使得Pb对其光合细胞的毒害减弱;但当Pb胁迫浓度大于1250.0 mg/kg时，抑制了光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心的潜在活性及PSⅡ和PSⅠ间的电子传递，导致电子传递过程受到阻碍，影响光合作用，抑制甘蔗生长。
(3)甘蔗通过调节超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性来提高其对Pb的防御性能。随着Pb胁迫浓度的升高，甘蔗根和叶中的SOD、CAT和POD活性先升高后降低。在Pb胁迫浓度为1250.0 mg/kg及以下时，甘蔗中的SOD、CAT和POD活性显著升高，有效消除Pb胁迫时产生的大量活性氧和H2O2，减少Pb对甘蔗抗氧化系统的伤害;而在Pb胁迫浓度为2500.0 mg/kg时，甘蔗中的SOD和CAT活性显著下降，不能消除逆境胁迫时产生的大量活性氧和H2O2，甘蔗明显受到氧化胁迫的毒害。
(4)低浓度Pb胁迫促进甘蔗对K、Ca和Mg等大量元素和Cu、Fe、Zn和Mn等微量元素的吸收，而高浓度的Pb胁迫则抑制了甘蔗对这些矿物质的吸收。甘蔗在低浓度Pb胁迫时，可能通过提高细胞内K、Ca等矿物质元素阳离子浓度，缓解Pb对甘蔗的毒害，而在高浓度Pb胁迫时，Pb破坏甘蔗体内矿物质养分的动态平衡，引起甘蔗对矿物质养分吸收不足或不平衡，抑制甘蔗的生长。
(5) Pb在甘蔗根和叶中的亚细胞分布为:细胞壁＞细胞器＞胞液，大部分Pb沉积在甘蔗根和叶的细胞壁中，甘蔗根和叶中的Pb化学提取形态主要以醋酸提取态和盐酸提取态为主。甘蔗通过Pb与细胞壁的结合以及将部分可溶态Pb转换成活性低的磷酸盐或草酸盐来减少Pb对自身的伤害，这是甘蔗主要的解毒和耐受机制之一。
(6)甘蔗根中共有32238条差异表达基因，其中10544条差异基因表达上调，21694条差异基因表达下调;甘蔗叶片中共有6263条差异表达基因，其中2774条差异基因表达上调，3489条差异基因表达下调。通过对Pb胁迫下的甘蔗差异表达基因进行分析，发现甘蔗中有11种转运蛋白基因、17种硫代谢相关的基因及15种抗氧化酶基因过量表达，表明甘蔗在Pb胁迫下主要通过激活转运蛋白基因、抗氧化酶基因及硫代谢相关基因来进行防御和解毒。
(1)甘蔗属于Pb高耐受性植物，在各Pb胁迫浓度下能正常生长且未见明显表观毒害症状。甘蔗体内的Pb富集量为:根＞叶＞茎，甘蔗根系对Pb的累积显著高于其地上部分，Pb从甘蔗根系向茎和叶的转移能力较弱，甘蔗可食部分茎中Pb富集量最少。Pb对甘蔗生长有“低促高抑”作用，Pb胁迫浓度为250.0 mg/kg时可以促进甘蔗的生长，而Pb胁迫浓度为1250.0mg/kg及以上时则显著限制了甘蔗的生长。甘蔗根系对Pb的固定和截留，限制Pb向地上部分转移，减轻Pb对甘蔗的毒害，是甘蔗对Pb的耐性机制之一。
(2)低浓度Pb胁迫促进光合作用，有利于甘蔗生长，高浓度Pb阻碍光合作用，抑制甘蔗生长。甘蔗光合速率的下降，主要受气孔开度的影响。在高浓度Pb的胁迫下，气孔关闭可能是甘蔗减少Pb进入体内的一种保护机制。甘蔗受到一定浓度Pb胁迫时，增加了非光化学猝灭，甘蔗通过增加热耗散来减轻Pb胁迫，使得Pb对其光合细胞的毒害减弱;但当Pb胁迫浓度大于1250.0 mg/kg时，抑制了光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心的潜在活性及PSⅡ和PSⅠ间的电子传递，导致电子传递过程受到阻碍，影响光合作用，抑制甘蔗生长。
(3)甘蔗通过调节超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性来提高其对Pb的防御性能。随着Pb胁迫浓度的升高，甘蔗根和叶中的SOD、CAT和POD活性先升高后降低。在Pb胁迫浓度为1250.0 mg/kg及以下时，甘蔗中的SOD、CAT和POD活性显著升高，有效消除Pb胁迫时产生的大量活性氧和H2O2，减少Pb对甘蔗抗氧化系统的伤害;而在Pb胁迫浓度为2500.0 mg/kg时，甘蔗中的SOD和CAT活性显著下降，不能消除逆境胁迫时产生的大量活性氧和H2O2，甘蔗明显受到氧化胁迫的毒害。
(4)低浓度Pb胁迫促进甘蔗对K、Ca和Mg等大量元素和Cu、Fe、Zn和Mn等微量元素的吸收，而高浓度的Pb胁迫则抑制了甘蔗对这些矿物质的吸收。甘蔗在低浓度Pb胁迫时，可能通过提高细胞内K、Ca等矿物质元素阳离子浓度，缓解Pb对甘蔗的毒害，而在高浓度Pb胁迫时，Pb破坏甘蔗体内矿物质养分的动态平衡，引起甘蔗对矿物质养分吸收不足或不平衡，抑制甘蔗的生长。
(5) Pb在甘蔗根和叶中的亚细胞分布为:细胞壁＞细胞器＞胞液，大部分Pb沉积在甘蔗根和叶的细胞壁中，甘蔗根和叶中的Pb化学提取形态主要以醋酸提取态和盐酸提取态为主。甘蔗通过Pb与细胞壁的结合以及将部分可溶态Pb转换成活性低的磷酸盐或草酸盐来减少Pb对自身的伤害，这是甘蔗主要的解毒和耐受机制之一。
(6)甘蔗根中共有32238条差异表达基因，其中10544条差异基因表达上调，21694条差异基因表达下调;甘蔗叶片中共有6263条差异表达基因，其中2774条差异基因表达上调，3489条差异基因表达下调。通过对Pb胁迫下的甘蔗差异表达基因进行分析，发现甘蔗中有11种转运蛋白基因、17种硫代谢相关的基因及15种抗氧化酶基因过量表达，表明甘蔗在Pb胁迫下主要通过激活转运蛋白基因、抗氧化酶基因及硫代谢相关基因来进行防御和解毒。