锰是植物生长发育的必需微量元素,参与植物体内多种重要的代谢过程,例如光合作用、蛋白质和脂质的合成、调节多种酶活性、氧化胁迫等。锰的化学性质活泼,在环境中有多种价态,其中最易被植物吸收利用的是二价的锰离子。土壤的pH值是影响锰有效性的最大因素,在碱性土壤中锰缺乏问题是影响作物生产的一个重要限制因子。因此深入探讨植物对营养元素锰的吸收、转运及内平衡机制,特别是植物在缺锰环境下的适应机理和植物锰营养效率的遗传研究,对改善植物营养状况具有重要意义。目前锰在植物中的吸收、转运及内平衡的分子机制报道较少,主要包括NRAMP家族（natural resistance associated macrophage protein）、CDF 家族（cation diffusion facilitator/metal tolerance protein）、ZIP 家族（zinc regulated transpoter/iron-regulated transpoter[ZRT/IRT1]-related protein）、YSL 家族（yellow stripe-like）等。研究表明,拟南芥NRAMP1是一个高亲和的锰转运蛋白,在低锰环境下参与锰的吸收。因此为了更好的探讨锰在拟南芥中的转运及内平衡的机理,本研究通过EMS化学方法对拟南芥突变体nramp1进行诱变建立突变体库,采用低锰培养基条件筛选锰缺陷型突变体（Mn-dependent defective growth（mdg））,以期克隆更多未知的锰转运及内平衡基因。本研究通过筛选获得两个突变体,分别为锰依赖的短根突变体mdg1nramp1和锰依赖的新叶黄化突变体mdg2nramp1。本研究主要对这两个突变体进行相关表型生理分析和遗传分析,以及对目的基因进行克隆和功能解析。主要研究结果如下:（1）通过表型生理分析发现,mdg1nramp1特异响应低锰而对其它二价金属离子如铁、锌及镉不响应。在低锰条件下,mdg1nramp1突变体根尖的表皮细胞长度显著缩短,根毛较少,且根长表型不依赖于生长素与SHR/SCR调控途径。通过ROS染色发现,mdg1nramp1突变体根尖在低锰条件下比对照积累更多的H2O2,并且采用H2O2清除剂KI处理能部分恢复mdg1nramp1在缺锰时根伸长受抑制的表型。因此,我们认为缺锰条件下根尖区域H2O2过量积累可能是导致mdg1nramp1突变体根长受到抑制的原因。通过采用全基因组混合池测序并结合基因定位,以及转基因互补试验,我们最终克隆到MDG1基因。MDG1编码一个金属转运蛋白NRAMP家族成员NRAMP2。单突变体nramp2也特异响应锰而对铁、锌不响应,水培低锰处理能够显著抑制nramp2的生长。元素含量分析显示锰在nramp2新叶中显著降低,在根中积累,表明NRAMP2在体内可能参与锰由根部往地上部的运输。组织定位发现NRAMP2主要表达在根及地上部的维管组织,在新叶中表达较高于老叶,且不受低锰的诱导。亚细胞定位结果表明NRAMP2定位于内膜系统的反式高尔基体TGN。异源酵母吸收试验揭示NRAMP2不仅具有对锰的金属转运活性,同时也具有对铁和锌的转运能力。由此表明NRAMP2参与低锰环境下锰在细胞内的再利用过程。与对照相比,超表达NRAMP2株系在低锰水培条件下生长更好,能够显著增强植物对低锰的耐受能力。（2）通过表型生理分析发现,突变体mdg2nramp1特异响应低锰。在低锰条件下,mdg2nramp1突变体新叶的叶绿体结构异常,叶绿素含量和最大光化学量子产量Fv/Fm显著降低,表明mdg2nramp1突变体光系统的光合电子传递受损。元素含量分析表明,与nramp1相比,无论是在新叶、成熟叶、花或者根中,mdg2nramp1突变体中锰的吸收及其它金属离子如铁、锌的吸收并没有显著差异,猜测mdg2nramp1突变体的新叶黄化表型并不是由于金属离子的吸收差异导致的。通过采用全基因组混合池测序并结合基因定位,以及转基因互补试验,我们最终克隆到MDG2基因。MDG2编码一个分子伴侣蛋白Cpn60α,参与Rubisco等蛋白的折叠。研究表明,Cpn60α位于叶绿体基质,参与早期植物胚及叶绿体的发育,cpn60α纯合突变致死,而本试验中mdg2是由单碱基替换造成的弱突变。缺锰条件下,mdg2nramp1新叶中光系统的蛋白复合物含量显著降低,尤其PSⅡ的蛋白复合物,如D1、D2等显著降低。因此我们猜测在低锰条件下,Cpn60α参与叶绿体内锰是如何运输到PSⅡ的过程。综上所述,通过正向遗传学方法,我们克隆到NRAMP2和Cpn60α基因。在低锰环境下,NRAMP2参与锰的细胞内再利用过程,对植物的生长发育具有重要的作用。分子伴侣蛋白Cpn60α可能参与低锰环境下叶绿体内锰的再利用过程。