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土壤中的有毒重金属可通过食物链输送至人体内,引发严重的健康问题,从而影响我国农业和经济的可持续发展。硅是土壤中仅次于氧的第二大元素,施硅已被证明可以缓解镉也可以缓解砷的胁迫毒性。水稻是我国重要的粮食作物,研究水稻镉砷胁迫响应及施硅缓解的分子机制,对于水稻施硅解毒和土壤重金属污染治理具有十分重要意义。本研究以生长30 d的水稻幼苗为材料,采用水培方式进行镉砷胁迫及施硅处理,研究水稻生长所受的影响,同时利用RNA-seq技术分析根系转录组差异,然后利用qRT-PCR技术对相关基因进行验证,取得的主要结果如下:1)研究结果表明,镉、砷胁迫均会导致水稻幼苗根系褐变,且随浓度升高和处理时间延长而进一步加重,但加入硅处理后,根系褐变的程度明显减轻。镉、砷胁迫下,水稻幼苗的生长也均受抑制,而加硅处理则可明显促进胁迫条件下水稻的生长。当镉浓度为50μM处理3 d或砷浓度为25μM处理3 d时,水稻幼苗的鲜重、干重、株高和根长均会出现不同程度的下降;但是,镉或砷胁迫下加入硅处理后,水稻幼苗的鲜重、干重、株高和根长均会增加。研究还发现,施硅对胁迫条件下植株中镉、砷的分布影响不同,施硅均可促进根系中镉、砷的积累。镉砷胁迫下水稻中叶片的叶绿素含量均会下降,而施硅可使砷胁迫下叶绿素含量提高,却不影响镉胁迫下的叶绿素含量。此外,组织化学染色显示,镉砷胁迫下水稻根系会产生更多的O2-和H2O2,而加硅则可使染色减轻,说明硅能减少根系O2-和H2O2的累积。2)通过RNA-seq分析,筛选到水稻根系对镉、砷胁迫响应的显著差异基因,分别为2224个和1503个,其中镉、砷胁迫共同响应的基因有841个。GO和KEGG分析表明,镉、砷胁迫响应基因均显著富集于氧化还原、蛋白质磷酸化与水解、转录调控、代谢、胁迫响应、防御反应、跨膜转运、电子传递链、激素响应等生物学过程,也显著富集于氨基酸生物合成与代谢、植物激素信号转导、内质网蛋白质加工、以及淀粉、糖、脂类、萜类和谷胱甘肽等物质的合成与代谢通路。通过共表达网络分析,发现Os06g0692500、Os07g0597200、Os08g0203300和Os09g0423200基因在镉、砷胁迫响应的网络中均起关键作用。以上结果表明,水稻响应镉、砷胁迫可能存在相同的分子机制。3)对镉和砷胁迫下施硅响应的特异基因进行分析,二者特异表达基因分别为37个和126个,其中共同响应基因有10个:Os06g0514800、Os03g0407100、Os12g0637700、Os09g0517900、Os01g0524500、Os11g0488900、Os08g0507702、Os05g0355450、Os09g0517950和Os12g0596300,编码酸性蛋白、UDP-糖基转移酶、DIVARICATA转录因子、F-box蛋白、细胞色素P450、西红花葡糖苷转移酶和未知功能蛋白。这10个共同响应基因在镉（砷）胁迫下施硅主要下调表达,且除3个基因（Os06g0514800、Os11g0488900和Os08g0507702）外,大部分基因对镉砷胁迫无响应。仅镉胁迫下施硅响应基因（27个）中,上调和下调表达的基因分别为7个和20个,其中有14个基因对镉胁迫无响应;仅砷胁迫下施硅响应基因（116个）中,上调和下调表达的基因分别为33个和83个,其中95个基因对砷胁迫无响应。以上结果表明,镉砷胁迫下施硅响应的基因主要表现为表达下调,与镉砷胁迫响应的基因也无直接关联,暗示施硅和镉砷胁迫响应具有不同分子机制。4)选取共表达网络关键基因、镉砷胁迫共同响应重要基因及镉砷胁迫下施硅共同响应基因,总共37个,进行qRT-PCR验证,25个基因仍然存在显著差异表达,而且其中20个基因的表达模式与RNA-seq一致,证明本研究RNA-seq数据可靠。