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本土重金属超富集植物的筛选和应用是重金属污染土壤植物修复的基础,研究其对重金属的吸收累积过程和机理,具有重要理论和实践意义。本研究通过室内模拟试验和野外调查,从分子、细胞、组织、个体和群体（种群和群落）不同层次,研究小花南芥对铅的吸收、累积和分布特征及机理。通过野外调查不同开采历史的铅锌矿区（土法冶炼厂调查区TST,40年和三多多村调查区SDD,400年）小花南芥群落物种多样性,研究矿区小花南芥群落对铅锌矿区废弃地的适应和演替过程;通过室内模拟试验,探讨铅胁迫对小花南芥种子萌发、幼苗生长、抗氧化酶活性、谷胱甘肽-抗坏血酸循环、植物激素和根系分泌物的影响,以及铅累积及亚细胞分布特征,并采用转录组RNA-seq技术和实时荧光定量q RT-PCR技术探讨小花南芥对铅胁迫响应的分子机制。结果表明:1.阐明了调查区土壤重金属的含量及小花南芥的形态学特征和生态学特征。调查区土壤重金属含量分别为:TST:Cd 9.92 mg/kg、Pb 660.41 mg/kg和Zn4851.02 mg/kg;SDD:Cd 10.86 mg/kg、Pb 535.95 mg/kg和Zn 4609.66 mg/kg。小花南芥Cd、Pb和Zn含量均超过超富集植物含量标准（且富集系数BCF＞1和转移因子TF＞1）,小花南芥是Cd、Pb和Zn的超富集植物。两个调查区小花南芥根长、根体积和根长/株高比均与根部Pb含量具有显著的正相关性。两个调查区小花南芥群落物种多样性、形态特征及重金属累积特征具有明显的差异,并存在时空差异。TST小花南芥具有向地下生长的趋势,根具有老化变粗的趋势。SDD小花南芥叶片更加细长,株高更高,分枝数更多。两个调查区小花南芥群落主要伴生植物均为鼠尾粟（Sporobolus fertilis）、圆叶无心菜（Arenaria orbiculata）和金茅（Eulalia speciosa）,香浓维纳多样性指数和辛普森多样性指数分别为0.56-2.04和0.44-0.95。与SDD相比,在TST小花南芥群落多样性指数高,生态优势度小。SDD小花南芥地上部和根Pb含量比TST低84.50%和80.05%。长期的重金属胁迫使小花南芥产生适应和进化。2.发现Pb2+胁迫对小花南芥生长发育的影响以及铅在细胞和细胞器中的累积特征。随着Pb2+处理浓度增加（0、50、100、200、400和600 mg/L）,小花南芥种子发芽势、发芽率和种子活力指数逐渐降低。Pb2+处理（500和1000 mg/kg）时,小花南芥根/冠比由0.34上升到0.48,总根长、根直径和根体积降低43.7%、46.8%和70.8%,Pb含量、BCF和TF增加。在Pb2+处理时,根、叶和各亚细胞部位铅含量均逐渐增加,其中以细胞壁铅含量最高。500和1000mg/kg Pb2+处理时,根液泡可溶组分铅含量分别比对照增加200%和340%,叶细胞壁铅含量达到饱和,并维持相对稳定,叶细胞器和液泡可溶组分铅含量均逐渐增加。3.抗性生理的研究表明:铅胁迫影响了抗氧化酶活性、内源激素含量及低分子有机酸;发现了抗氧化物质类型异质性-铅胁迫剂量的效应关系。随着Pb2+处理浓度增加（0、50、100、200、400和600 mg/L）,小花南芥叶片SOD活性、APX活性和CAT活性逐渐增加。基质培养300 mg/kg Pb2+处理时,与对照相比,叶GSH含量和GR活性增加123.5%和166.9%;As A含量和APX活性增加145.5%和33.3%。与100 mg/kg Pb2+处理相比,300 mg/kg Pb2+处理时根赤霉素含量增加15.3%。从内源激素的平衡关系来看,在铅处理时,小花南芥叶和根IAA/ABA比例显著增加,CTK/IAA比例显著降低。有机酸含量和酒石酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸、乙酸、草酸含量均表现出不断减小的趋势。6种低分子量有机酸中,琥珀酸含量所占的比例最高（38-39%）,其次为柠檬酸（28%-29%）和苹果酸（25%）。小花南芥对Pb胁迫的抗性生理主要表现在抗氧化酶活性增强和谷胱甘肽、抗坏血酸含量增加。4.揭示了铅胁迫下小花南芥膜转运蛋白活性的变化规律和对铅吸收转运特征。300mg/kg Pb2+处理时,小花南芥叶HMA活性比对照和100mg/kg Pb2+处理显著增加39.0%和51.9%,小花南芥叶和根CAX活性比对照增加12.0%和32.8%。100mg/kg Pb2++25μmol/L Na3VO4或25μmol/L DNP处理时,叶HMA活性显著低于50μmol/L处理的。随着Na3VO4处理浓度增加,根CAX活性逐渐降低。100mg/kg铅胁迫时,25μmol/L DNP处理或50μmol/L DNP处理的小花南芥叶的CAX活性比对照分别降低16.3%和26.3%。100 mg/L Pb2++25μmol/L Na3VO4或25μmol/L DNP处理时,根和叶总铅含量降低49.2%和70.7%。100 mg/L Pb2++50μmol/L Na3VO4或50μmol/L DNP处理时,根和叶的总铅含量降低。抑制剂Na3VO4或DNP降低酶活性以及根、叶总铅含量,说明小花南芥主动吸收和运输铅。5.通过对小花南芥转录组分析,进一步揭示了铅迁移、累积和分布的分子机制。通过高通量测序,获得3.6GB的clean data,得到的reads再经Trinity软件组装后共获得121016条Unigene基因序列。其中88622条序列获得注释信息,占全部Unigene的73.23%,注释到Nr、Swiss-Prot、KOG和KEGG的Unigene数目分别为86261、74783、52400和63307条。矿区小花南芥叶和根与100mg/L Pb2+处理相比差异基因数最多,分别为10649条（8051条上调、2598条下调）和15592条（13641条上调、1952条下调）。100mg/L Pb2+处理时,小花南芥叶和根差异基因最多,为12617条（8229条上调、4398条下调）。差异表达基因的GO富集性分析表明差异基因的功能主要集中在代谢过程、解毒、超分子纤维、结合固定、催化活性、电子载体活性、转录因子活性,蛋白质结合、刺激响应和抗氧化物活性等方面。与对照相比,矿区小花南芥和100mg/L Pb2+处理小花南芥根均表现出细胞解毒、结合固定、催化酶活性、电子载体活性等相关基因的上调。小花南芥根与叶相比,主要表现在结合固定和细胞外基质相关基因变化和电子载体活性相关基因的下调。小花南芥与铅胁迫抗性相关的差异基因主要分布在硫代谢、类黄酮生物合成、植物激素信号传导、抗坏血酸代谢和谷胱甘肽代谢。小花南芥对铅的吸收和转运是一个主动过程,受到位于细胞膜的2个AaHMA2(AaHMA2-1（镉锌转运ATP酶Cadmium/zinc transporting ATPase）和AaHMA2-2(P1B-type型ATP酶P1B-type ATPase))的调控。小花南芥叶和根转运蛋白CAX以AaCAX4为主,位于液泡膜上。铅胁迫下,叶和根AaCAX4、AaHMA2-1和AaHMA2-2基因表达显著上调。总之,本研究系统分析了小花南芥对铅的吸收、累积、分布特征及其生理和分子机制,可丰富超富集植物对铅的累积规律和抗性机理理论,对土壤重金属污染的植物修复具有重要的理论意义。