镉是毒性最强的环境污染物之一。镉干扰植物的许多生理生化过程，导致植物产生多种毒害症状，甚至导致植物死亡。豆科植物箭舌豌豆（Vicia sativa L.）常作为人类食物和动物饲料栽培。在许多地区，特别是在旱地耕作中也常作为植被和绿肥用于改良土壤。本实验室以前的研究发现，箭舌豌豆较其它9种豆科植物有更高的镉耐性。本研究通过比较镉对8个箭舌豌豆品种（系）生长的影响，得到一个镉耐性品种兰箭3号(L3)和一个镉敏感品种张掖麻豌(ZM)。不同浓度和不同时间镉处理结果显示，镉对ZM生长的抑制显著大于L3。镉处理下ZM根表较L3产生更严重的伤害褐斑;ZM根中膜脂过氧化产物（以TBARS表示）含量显著高于L3;ZM叶中叶绿素含量较L3显著降低;ZM根系活力也较L3更显著下降。显示L3为镉耐性品种，ZM为镉敏感品种。　　镉胁迫常常导致植物体内活性氧的产生。研完了镉处理下两个箭舌豌豆品种根的氧化胁迫状况，结果显示镉处理下两个箭舌豌豆品种根都受到显著的氧化胁迫:H2O2含量和O2·-产生速率显著升高、TBARS含量升高、质膜透性增大，ZM较L3更显著。细胞化学染色结果显示，H2O2和O2·-主要积累于细胞壁和质外体空间，ZM较L3积累更多的H2O2和O2·-。NADPH氧化酶的抑制剂(DPI和IMZ)和POD的抑制剂(NaN3)均抑制镉处理下H2O2和O2·-的产生。质膜NADPH氧化酶和质外体NADH-POD的活性在镉处理后均显著升高，但两个箭舌豌豆品种NADPH氧化酶的活性没有显著差异，而ZM根系质外体NADH-POD的活性显著大于L3，提示镉处理下两个箭舌豌豆品种根系活性氧产生的差异主要源于质外体NADH-POD。植物体内的抗氧化系统能清除活性氧，减轻活性氧对植物的伤害。两个箭舌豌豆品种根系中主要的抗氧化酶活性均趋向于随着镉处理浓度的升高而升高，显示镉处理后两个箭舌豌豆品种根系H2O2含量的升高不是抗氧化酶活性抑制的结果，箭舌豌豆根系能通过提高抗氧化防御能力应对镉毒害引起的氧化胁迫。镉处理下镉耐性品种L3根系SOD、CAT和DHAR的活性以及AsA含量高于敏感品种ZM，提示L3的镉耐性至少部分由于其高的抗氧化能力。两个箭舌豌豆品种根系木质素的含量均随着镉处理浓度的升高而升高。实验各浓度镉处理下，ZM根系木质素的含量始终大于L3。用间苯三酚进行木质素组织化学染色的结果显示，相同浓度镉处理下，ZM根尖的木质化程度大于L3，而且木质化的组织更趋近于根尖的顶端。敏感品种ZM根系质外体H2O2产生、质外体可溶性POD(SPOD)活性和细胞壁离子结合态POD(IPOD)活性均高于耐性品种L3，提示镉诱导两个箭舌豌豆品种根系的木质化主要是通过质外体H2O2的积累和POD活性的增加。　　细胞组分分离的实验结果显示，两个箭舌豌豆品种根中镉主要分布于可溶性组分，ZM可溶性组分中的镉含量显著大于L3。镉处理下两个箭舌豌豆品种根中，NPT包括Cys、GSH和PC的含量升高，γ-ECS的转录上调，ZM较L3更显著。γ-ECS的抑制剂BSO和镉共处理降低了两个箭舌豌豆品种根中的NPT含量，增加了H2O2的含量，降低了两个箭舌豌豆品种的镉耐性，提示NPT增强了箭舌豌豆的镉解毒能力，但不是导致两个箭舌豌豆品种镉耐性差异的原因。两个箭舌豌豆品种根可溶性提取物的分子筛色谱得到3个镉结合组分:一蛋白质组分、NPT组分和一未知组分。NPT为主要的镉结合组分,ZM根中NPT结合镉的比例也大于L3。L3根中一蛋白质组分在镉处理后较ZM中增加更显著，结合镉的比例也显著大于ZM，提示该蛋白质组分在增加L3的镉耐性中发挥作用。　　利用Illumina Solexa高通量测序平台对箭舌豌豆进行转录组测序，得到7.1G的原始数据，通过拼接得到49，062条基因。共有17，921个基因被注释到3大类54亚类的GO分类中。10，218个基因被注释到26种KOG功能类型中。13，247条基因被注释到参与330条KEGG代谢通路。进一步对两个箭舌豌豆品种不同浓度镉处理的根样分别建库和测序，以de novo组装的箭舌豌豆转录组序列为参考序列进行比对，筛选镉处理下显著差异表达的基因并进行GO功能和KEGG通路注释、显著性富集分析。L35μM和50μM镉处理与对照比较差异表达基因数分别为69和1036，ZM5μM和50μM镉处理与对照比较差异表达基因数分别为28和335。镉处理下，H2O2响应和ROS响应GO功能在两个箭舌豌豆品种根中均显著富集，显示镉处理导致两个箭舌豌豆品种根的氧化胁迫和转录调节响应。两个箭舌豌豆品种根中主要的镉胁迫响应基因包括:(1)氧化胁迫响应基因;(2)细胞壁组成、组织或生物合成基因（包括木质素合成基因）;(3)硫代谢和GSH合成基因;(4)一般胁迫响应基因;(5)转录因子基因;(6)转运体基因等。L350μM镉处理与对照比较有11个GST基因显著上调而ZM50μM镉处理与对照比较有1个GST基因显著上调。50μM镉处理下，角质、木栓质和蜡质的生物合成途径只在L3中显著富集，提示GST基因的上调和角质、木栓质和蜡质的生物合成在L3根的镉耐性中发挥重要作用。ZM根中硫代谢和GSH合成对镉胁迫的响应较L3更显著。两个箭舌豌豆品种根中转运体基因和转录因子基因的表达调节存在较大差异，L3较ZM的调节更显著。　　利用蛋白质组学技术对镉胁迫下L3和ZM根总蛋白进行差异蛋白质组分析。幼苗25μM镉处理5天（0μM镉为对照），两个箭舌豌豆品种根中共发现56个蛋白点在表达量上有显著变化。其中5个蛋白点为两个品种中共同上调(L3的相对丰度率显著高于ZM的有2个，有1个点相反，其它2个品种间差异不显著)，1个蛋白点为两个品种中共同下调（相对丰度率两个品种间没有显著差异），4个蛋白点为镉处理后两个品种中共同新出现。这些结果表明箭舌豌豆对镉胁迫的响应是品种依赖的。这些差异表达蛋白通过MALDI-TOF质谱技术鉴定到的有31个，主要为解毒、胁迫响应、代谢和信号转导蛋白及其它功能蛋白和未知功能蛋白。　　对箭舌豌豆响应镉胁迫的生理学、转录组学和蛋白质组学的研究表明抗氧化作用、细胞壁的屏障作用、镉螯合物的螯合作用以及一般的胁迫响应机制等都在箭舌豌豆的镉胁迫响应中发挥作用。更强的抗氧化能力、更强的细胞壁阻隔作用、更强的一般胁迫响应、更多的镉结合蛋白的合成以及更广泛的转运体功能的调节可能是L3较ZM有更强镉耐性的原因。