工业、农业及采矿业等人类生产活动将大量重金属带入水体与湿地环境,导致其生态环境被破坏。重金属被植物吸收后,不但会对植物的生长发育产生不利影响,而且还能够通过食物链对人类及其他生物的健康构成威胁。因此,开展重金属污染水体与湿地修复研究,尤其是植物修复技术研究显得非常重要。植物修复技术具有操作简便、成本低、环境友好及二次污染易控制等优点,是解决水体与湿地重金属污染的有效途径之一,在重金属污染水体与湿地环境修复过程中受到重视。镉（Cd）是分布最为广泛的非营养性重金属之一,是水与湿地生态环境中常见的重金属污染物,具有生物学毒性强、难降解及较强的化学活性等特点。梭鱼草（Pontederia cordata）为雨久花科（Pontederiaceae）梭鱼草属（Pontederia）多年生大型挺水植物,生物量大、根系发达,在重金属污染水体、湿地等环境修复过程中具有潜在优势,同时具有较高的园林观赏价值,是水体绿化美化、湿地恢复和重建的优良材料。鉴于此,本课题以溶液培养法研究了梭鱼草对Cd2+胁迫的生理生化响应及耐性机制,并利用转录组学方法研究了梭鱼草应对Cd2+胁迫的分子机制,为梭鱼草在重金属污染水体与湿地生态修复中的实践应用提供理论依据。本文主要研究结果如下:1.从植株形态特征来看,梭鱼草经5 mg/LCd2+处理21d时可以正常生长,无明显的毒害症状。随溶液中Cd2+浓度的继续增加和处理时间的延长,梭鱼草植株出现明显的毒害症状,如叶片褪绿、卷曲及根系渍水甚至植株死亡等。2.较高浓度Cd2+处理15d导致梭鱼草梭鱼草生物量下降,在50 mg/L Cd2+处理21d和75 mg/LCd2+处理15d时植株全部死亡。随溶液中Cd2+浓度的增加和处理时间的延长,梭鱼草叶片丙二醛（MDA）逐渐积累,膜质过氧化作用加强,从而导致细胞膜系统受损程度加剧;叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性呈下降趋势,过氧化氢酶（CAT）活性呈上升趋势,而过氧化物酶（POD）活性呈先上升后下降趋势;叶片可溶性糖、游离脯氨酸含量呈先上升后下降趋势,可溶性蛋白含量则呈下降趋势;叶片抗坏血酸（AsA）含量总体上呈下降趋势,脱氢抗坏血酸（AsA-DHA）含量呈先上升后下降趋势。可知,梭鱼草可以通过提高叶片抗氧化酶活性、渗透调节物质含量、抗坏血酸与脱氢抗坏血酸含量等以适应Cd2+胁迫。但是,这种调控作用具有一定的局限性,较高浓度、较长时间Cd2+处理会破坏其生理生活代谢活动,不利于梭鱼草生长。3.随溶液中Cd2+浓度的增加和处理时间的延长,梭鱼草叶片叶绿素前体物质原卟啉IX（Proto IX）、镁原卟啉IX（Mg-proto IX）及原脱植基叶绿素酸脂（Pchlide）含量均呈下降趋势;叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、总叶绿素（Chl T）、胡萝卜素（Car）、叶黄素（Lutein）及总类胡萝卜素（Car T）含量也呈下降趋势,这是导致梭鱼草叶片出现褪绿、黄化等毒害症状的主要原因;叶片净光合速率（Pn）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、二氧化碳利用率（CUE）总体呈下降趋势,饱和蒸气压匮缺（VPD）、气孔限制值（Ls）表现出相反的变化规律,表明Cd2+胁迫下气孔因素是导致梭鱼草叶片pn下降的主要原因。叶绿素荧光参数分析结果表明,较高浓度、较长时间Cd2+处理会破坏梭鱼草叶片光合机构,诱导PSII反应中心部分关闭和光合活性下降,使PSII反应中心效率降低,最终诱发光合作用光抑制,但反应中心能够通过提高非光化学耗散能量、降低电子传递效率和增加PSII反应中心负荷等方法来缓解Cd2+对PSII反应中心的抑制作用,这可能是梭鱼草保护光合机构免遭Cd2+破坏的重要机制之一。4.随溶液中Cd2+浓度的增加,梭鱼草根、茎、叶中Cd2+含量呈上升趋势。经5、25、50 mg/L Cd2+处理15d时,根、茎、叶中Cd2+含量分别是对照组的112.98～528.98倍、77.04～193.49倍和80.30～192.98倍。根系是梭鱼草固定Cd2+的重要器官,Cd2+含量分别比茎、叶增加了 3.93～25.82倍和1.59～4.04倍。Cd2+由根系至地上部的转运系数（TF1）、由根系至茎部的转运系数（TF2）均随溶液中Cd2+浓度的增加呈下降趋势,而Cd2+由茎部至叶片的转运系数（TF3）则相对稳定。梭鱼草根部、地上部Cd2+富集系数也随溶液Cd2+浓度的增加呈下降趋势。根系中Cd2+主要以残渣态、去离子水提取态、乙醇提取态等形态为主;茎部Cd2+主要以残渣态、乙酸提取态、蛋白提取态等形态为主,有利于抑制Cd2+向叶片中的转运;叶片中Cd2+主要以残渣态、盐酸提取态和乙酸提取态等形态为主,有利于降低细胞质中自由态Cd2+浓度,从而缓解Cd2+对叶片呼吸及光合等生理生化代谢活动的毒害作用。在一定的范围内,Cd2+能够诱导叶片非蛋白巯基总肽（NPT）、谷胱甘肽（GSH）及其他非蛋白巯基肽（PCs、Cys）的合成与积累,但其他非蛋白巯基肽在梭鱼草叶片细胞降低Cd2+毒害过程中的作用较弱。5.利用 Illumina HiSeqTM2000 平台对梭鱼草叶片 Cd2+胁迫 0h、1h、3h、6h、12h、24h和36h进行转录组测序,构建了 21个cDNA文库,总共得到了 970,961,618个原始测序数据（Raw reads）,过滤后获得了 139.02 GB Clean bases。利用Trinity拼接后共获得了 258,354个序列（contigs）,经进一步拼接后获得了 221,392个非冗余的单基因簇（Unigene）,平均长度为1,753 bp。6.GO功能注释发现,转录组221,392个unigene被注释到生物过程、细胞组分及分子功能的55个GO项目中。其中,生物过程共有25个,以细胞过程、代谢过程及单有机体过程等功能组为主;细胞组分共有20个,以细胞、细胞部分等功能组为主;分子功能共有10个,以蛋白质结合活性、催化活性及运输活性等功能组为主。KEGG同源注释结果表明,共有54,087个Unigene被分配到131个KEGG代谢途径,居于前10位的代谢途径分别是碳代谢、核糖体、氨基酸生物合成、植物-病原菌相互作用、内质网中蛋白质加工、植物激素信号转导、RNA运输及嘌呤代谢。次生代谢过程以苯丙烷的生物合成、类胡萝卜素的生物合成及萜类化合物骨架的生物合成等为主,表明这些次生代谢产物在梭鱼草应对Cd2+胁迫过程中具有重要作用。7.以padj＜0.05且|log2FoldChange|＞1作为筛选差异表达基因的标准。与对照组（E）相比,在不同时间点均获得了大量的差异表达基因。差异表达基因GO功能注释及分类发现,上调表达差异基因主要参与代谢过程、细胞过程、初级代谢过程、有机物代谢过程、催化活性及结合等本体,下调表达差异基因主要参与代谢过程、催化活性、单有机体过程、细胞过程、细胞代谢过程及结合等基因本体,表明梭鱼草叶片组织可以通过改变细胞组分、酶的催化活性及细胞多种代谢过程以适应Cd2+胁迫。KEGG代谢途径分析表明,Cd2+处理期间梭鱼草叶片差异表达基因最显著富集的KEGG代谢途径共有122条,其中糖酵解/糖原异生、光合作用-天线蛋白、光合作用、淀粉与糖代谢途径,植物激素信号转导途径以及ABC转运相关途径等受Cd2+影响程度较大。在梭鱼草快速、慢速响应50 mg/L Cd2+胁迫过程中,叶片转录组数据库中的水通道蛋白、热激蛋白、金属蛋白、锌指蛋白、ABC转运蛋白基因及转录因子家族基因等具有重要作用。8.梭鱼草叶片转录组数据库中共有转录因子家族81个,包括10,782个转录因子,其中MYB、WRKY、Orphans、C3H及bHLH等转录因子家族能够通过调控转录水平、渗透调节、离子运输、氨基酸代谢或信号转导等过程以应对Cd2+胁迫,在梭鱼草耐镉胁迫过程中可能具有重要作用。本课题利用生理学方法揭示了梭鱼草叶片抗氧化剂（抗氧化酶、抗坏血酸及类胡萝卜素等）与渗透调节物质等在梭鱼草应对Cd2+胁迫过程中的作用,明确了 Cd2+胁迫下梭鱼草叶片光合能力下降的原因,并通过研究Cd2+的转运和富集特征、赋存形态、叶片非蛋白巯基肽含量揭示了梭鱼草对Cd2+的解毒机制,为梭鱼草在重金属污染水体或湿地中的应用提供了理论依据;同时,利用转录组学方法在梭鱼草叶片组织中获得了大量差异表达基因,初步揭示了梭鱼草响应Cd2+胁迫的分子机制,为今后发掘和深入研究梭鱼草Cd2+耐性与富集基因等提供了基因资源。