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砷（Arsenic,As）作为常见的环境污染物,在食物链富集放大作用下,对人体产生强烈的毒害。水稻是人类的主粮之一,与其他谷类作物相比,水稻籽粒中高积累的砷成为人类食物链中砷的重要来源。因此,深入了解水稻体内As的吸收、转运和解毒机制,对于解决水稻籽粒中As污染问题,提高稻米质量安全具有重要意义。本论文从EMS诱变的野生型日本晴突变体库中筛选到一个具有籽粒砷高积累的突变体hag1（High As accumulation in grain 1,hag1）,并对其生理和遗传机制进行深入研究,主要结果如下:（1）大田种植的hag1和野生型籽粒中砷含量测定结果表明,hag1籽粒中的总砷含量比野生型高5～6倍,严重超出砷在水稻中的限量标准（0.2 mg/kg）,但节、叶片等组织中的砷含量显著低于野生型。分析籽粒中5种砷形态发现三价砷（Arsenite,As（III））占主导地位,约占总砷含量的62～87%。（2）水培试验研究hag1和野生型幼苗对砷耐受性发现,随着砷处理浓度增大,hag1的根系和地上部生长受到明显抑制,而野生型表现出较强的耐砷性。hag1和野生型幼苗砷吸收实验结果表明,hag1在低砷条件下（＜5μM）从根向地上部的转运能力低于野生型,根系中砷含量高于野生型;高浓度砷胁迫下（＞5μM）,hag1根部对砷的“截留”能力低,使更多的砷从根向地上部转运,导致hag1根系中砷含量显著低于野生型。（3）测定不同浓度砷胁迫下根系中的H2O2和MDA含量发现,随着砷处理浓度增加,hag1根系中H2O2和MDA含量显著高于野生型,表明砷对hag1的氧化损伤更为严重。hag1和野生型中的CAT、SOD、APX等抗氧化酶活性在低砷胁迫下无显著差异,但高砷胁迫时hag1根系中CAT和SOD活性显著低于野生型。此外,低砷可诱导hag1根系合成大量巯基化合物（如Cys、PCs等）,与砷螯合形成As-PC复合物,增强根系对砷的耐受性;而高浓度砷胁迫下,hag1中的巯基化合物含量显著低于野生型,导致解毒能力减弱,对砷更加敏感。（4）遗传学分析表明hag1砷高积累表型受一对隐性核基因控制。利用hag1和籼稻品种南京11的杂交F2群体的极端单株进行遗传连锁分析,将HAG1基因定位于第4条染色体长臂,标记Indel9-Indel17之间,物理距离约为233 kb。对hag1和野生型基因重测序发现,该区域里的Os ABCC1基因（LOC＿Os04g52900）第10个内含子的第1个碱基,即ATG下游2261 bp处碱基由野生型的G突变为A。该位点突变使HAG1的候选基因发生可变剪切,CDS序列丢失16 bp,导致Os ABCC1蛋白的第372-382位氨基酸丢失和替换,并在383氨基酸处翻译提前终止,最终致使其转运As-PC的功能缺失。转基因互补实验表明,将野生型中的ABCC1基因转入突变体,可显著降低籽粒中砷含量,提高幼苗对砷的耐受性。综上,ABCC1就是HAG1的目的基因。（5）对hag1和野生型的倒一节（Node I）部位进行转录组测序分析,发现与野生型相比,hag1中存在大量差异表达基因。功能分析发现hag1中参与调控地上部及籽粒砷积累的关键基因Os HAC1;1和Os ABCC1表达显著下降。Os ABCC1突变后,谷胱甘肽S-转移酶、SOD、CAT、GR、APX等抗氧化酶合成前体和其他逆境基因的表达也发生变化,以实现砷胁迫下的自我解毒和保护。此外,与野生型相比,hag1中的Os CCA1和Os MFT1等开花调控基因表达差异极显著,使hag1出现生育期延长,“贪青晚熟”的现象;Os NR2、Os SULTR3;6和Os Pht1;8等参与营养元素运输的基因表达上调,可能导致籽粒增大。该研究还挖掘出大量直接参与调控砷转运或相关蛋白的差异表达转录因子（如b ZIPs、TCPs、MYBs、AP2等转录因子）,为培育籽粒低砷积累材料提供基因资源。（6）分析55份水稻品种对砷的吸收和转运规律,发现籼稻对砷的吸收能力普遍强于粳稻,而向上转运能力弱于粳稻,导致籼稻根中砷含量普遍高于粳稻,地上部位含量总体低于粳稻品种。测定大田种植的55份品种籽粒中砷和镉含量发现,粳稻品种的籽粒中砷含量普遍高于籼稻品种,而镉含量低于籼稻品种,其中粳稻Asominori、籼稻IR66可作为选育低砷、低镉品种的遗传资源。（7）利用Kasalath和日本晴构建代换系CSSL19（日本晴背景含Kasalath中ABCC1基因）,发现CSSL19根系对砷的吸收能力与日本晴一致,但转运能力显著低于日本晴。由此表明,ABCC1基因差异主要参与调控砷从根系向地上部转运,而不影响对砷的吸收。进一步分析籼稻和粳稻ABCC1的全长基因和启动子序列发现,ABCC1的启动子区域的SNP和Indel变异可能导致该基因在籼稻和粳稻根系和Node I中差异表达,进而调控砷的转运和再分配过程,最终影响地上部和籽粒中的砷含量。