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众所周知,非生物胁迫比如高盐、干旱和极端温度是严重影响农作物产量的几个的问题。近年来重金属已经成为影响环境的重要问题。锌（zinc,Zn）是一种生物体所必需的微量元素,参与到各种生理过程。但是高浓度的锌会对生物体造成一定程度的损害。尽管在作物中缺锌环境比锌中毒更为常见,但近几十年来由于不同的人为输入导致许多区域土壤中锌浓度逐渐增加。锌过量会降低植物组织器官的生长,引起叶片黄化,降低光合作用和细胞呼吸,导致活性氧的积累以及引起细胞死亡。水稻（Oryza sativa L.）不仅是世界上最重要的粮食作物,为几乎全世界半数人口提供食物,而且是研究单子叶植物的一种重要的模式作物。通过转录组和基因组分析已对水稻锌耐受性的分子机制有一定的了解,但从蛋白质组学水平分析水稻根系对锌中毒的响应仍很少。了解植物根系对逆境胁迫的分子响应有助于研发抗逆性更强的工程植物。此外,作物在早期的生长阶段,如种子萌发和幼苗生长等,对逆境胁迫更加敏感,因此,研究作物幼苗的逆境响应可为农作物改良提供重要的数据支持。本研究主要集中在早期成长阶段水稻根系在高浓度锌处理下,生理和分子水平方面的反应。首先,我们测定了由锌浓度过量引起的水稻生长和代谢的变化。之后,我们分析了氧化应激参数和参与胁迫应答基因的表达。最后,我们通过使用双向电泳技术,研究了锌引起的水稻根部的蛋白质组学变化。我们的主要研究成果如下:1.在第一部分,我们设计了预实验,来观察过量的锌对水稻生长的影响。锌显著抑制了作物的生长。在根系方面,锌降低了主根和侧根的生长。水稻幼苗地上部分相比于根而言,对过量的锌具有更高的敏感性。所有的光合色素的含量,包括叶绿素a,叶绿素b和类胡萝卜素,经过锌处理后都显著的降低。傅里叶变换红外线光谱分析显示,锌处理降低了根系中碳水化合物含量,并改变了它们的组成。甚至,过量锌处理显著的改变了相关蛋白的二级结构。2.第二部分,通过测量抗氧化酶如过氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）,和愈创木酚过氧化物酶（guaiacol peroxidase,POD）的活性,我们检测了过量锌处理后水稻根系的氧化胁迫参数。同时,我们还测定了过氧化物（superoxide,O2-）与过氧化氢（hydrogen peroxide,H2O2）的累积量,以及还原型谷胱甘肽（reduced glutathione,GSH）的含量。相关的胁迫标志物比如脂质过氧化和电解质渗出率也同样被检测。为了进一步探究锌诱导的根系生长抑制的机制,我们采用实时荧光定量PCR技术,检测了位于线粒体的锰超氧化物歧化酶蛋白（mitochondrial-specific manganese superoxide dismutase,mtMn-SOD）、交替氧化镁蛋白（alternative oxidase,AOX1a）和电压门控离子通道蛋白（voltage-dependent anion channel,VDAC）基因的表达量。又采用同样的方法测定了四种胁迫诱导基因相关的表达量,包括:乙二醛酶Ⅰ（glyoxalaseI,GLYI）,血红素氧化酶 1（heme oxygenase 1,HO-1）,多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）和类葡聚糖合成酶5（glucan synthase-like 5,GSL5）。我们的研究结果表明,过量的锌显著的上调了与线粒体蛋白和细胞防御相关基因的表达,并未诱导氧化胁迫,其中过氧化物O2-与过氧化氢H2O2含量、质膜过氧化程度和电解质渗透均表现为抑制。3.最后,为了进一步探究锌诱导的根系生长抑制的机理,我们采用2-DE,来探究细胞代谢中的哪些部分受到高浓度锌的影响。对照组和锌处理组的2-DE凝胶分别用PDQuest软件做定量比较,之后用液相色谱-质谱联用仪（liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MALDI-TOF/TOF MS）进行差异表达蛋白的鉴定,共有43个可信度高的蛋白点被检测出。结果显示,锌对不同细胞代谢过程有着明显的干扰,如于非生物与生物胁迫、硫代谢、细胞壁形成和蛋白质水解相关蛋白的丰度均明显增加。相反,与能量产生、次级代谢和生长相关的蛋白都下调。我们的结果也表明,过量锌处理会促进细胞程序性死亡的进程。更为重要的是,之前研究结果显示与其他重金属耐受相关的两个蛋白的表达量,在本次实验中下调了,它们是受翻译调控的肿瘤蛋白同系物（translationally controlled tumor protein homolog,TCTP）和脱落酸,胁迫及成熟相关蛋白（abscisic acid,stress and ripening protein 5,ASR5）.我们推断,高浓度的锌对水稻根系的不同代谢途径有极大影响,根系生长抑制的现象并未伴随着活性氧的积累。线粒体电子传递链（mitochondrial transport chain,mETC）的混乱及由此引起的供能不足是锌诱导的生长抑制的主要原因。这些结果首次从蛋白质组学水平上研究了水稻根对过量锌的响应。