水是生命的源泉，然而随着人类社会的进步，水体污染情况越来越严重，已经成为危害生态环境和人类健康的严重问题。在导致水体污染的多种因素中，重金属污染因其难以自然净化、容易积累等特点而备受人们关注。其中重金属镉(Cd)因其毒性强、污染面广而特别受到重视。寻找一种高效的重金属监测方法已是迫在眉睫。　　金属硫蛋白(MT)是一类与重金属密切相关的超家族蛋白，与细胞内离子平衡、金属代谢等生物学过程密切相关。研究证实，其基因表达与环境中的重金属直接相关。因此，MT能成为一种理想的重金属生物标志物。近年来，MT相关的基础研究，尤其是功能和进化分析越来越受到研究者重视。随着研究工作的开展，鉴定到的MT数量和物种分布正在迅速增加，但不同物种中MT信息分布的不均衡性使得相关工作的开展存在困难。　　作为一种单细胞真核模式生物，四膜虫具有清晰的遗传背景和成熟技术平台。MT在四膜虫中具有丰富的异构型种类。其中7a(Cd-MT)亚家族基因具有在Cd诱导下快速、高效响应表达的特征;其编码产物则具有规律性内部串联重复特征。因此，四膜虫中的Cd-MT不论是作为水污染监测的生物标志物，还是作为MT基础研究的对象，都是理想的对象。本学科组以四膜虫及其MT基因为对象展开了一系列相关研究。　　本论文取得的主要结果为:　　(1)通过PSI-BLAST对13个新测序四膜虫基因组中的Cd-MT进行了基于序列保守性的搜索，共在19种四膜虫中鉴定到了32个Cd-MT基因。序列分析证实串联排列的重复片段结构在四膜虫Cd-MT中普遍存在，并且具有模块化特征。这些模块可分为typeA、B、a，以不同的排列组合方式构成了不同的Cd-MT。我们共统计到9种Cd-MT的排列组合模式(AA、AAA、AB、AAB、ABB、aaaaB、BB、BBB、BBBB)，其中4种(ABB、BB、BBB、BBBB)为首次发现的排列组合模式。根据这些串联重复片段和模块的排列方式，推测基因复制和滑链复制模型是Cd-MT独特结构产生的分子机制;结合系统发育分析则推测type a的分化晚于type A、B模块。　　(2)为了推测功能差异和模块组成之间是否存在联系，检测了3种四膜虫(T.malaccensis、T.moblis、T.hegewischi)中4个具有不同模块(AAA、AAB、BBBB)组成的Cd-MT基因在不同重金属暴露下的表达模式。结果证实模块组成和表达模式没有明显联系，但发现了一些新的表达特征:如来自T.hegewischi的两个基因(ThegMT1、ThegMT2)在Cu诱导下亦有一定响应表达;T.moblis中的TmobMT1是目前可知的的诱导表达上调幅度最高的Cd-MT基因(Cd诱导24 h上调1584倍)。　　(3)以来源于嗜热四膜虫的rDNA载体pD5H8、MTT1启动子和报告基因GFP为基础构建了重金属监测用的四膜虫细胞生物传感器，实验结果显示其产生的荧光密度和重金属的浓度间存在稳定的剂量关系;而在对不同重金属(Cd、Cu、Zn、Pb)的测试显示，该生物传感器对不同种金属表现出灵敏度和最大荧光密度的差异，顺序为Cd＞Zn＞Pb＞Cu。说明该体系具有作为生物传感器的潜在价值，可用于Cd污染的快速检测。　　(4)针对Cd对水环境造成的严重危害，我们优化实验条件实现四膜虫感应器对Cd的快速、灵敏检测:从多个单克隆细胞系中筛选出对Cd灵敏度最高的细胞系No.7;通过设置梯度条件考察Cd暴露的细胞密度和处理时间与荧光信号的关系，结果显示最佳实验条件为细胞密度5×104 cells/mL，处理时间2.2小时，对Cd的检出限可达0.0309μg/mL，接近国家规定2类水检测标准。