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由于贵州特殊的成土母质导致了土壤中镉（Cadmium,Cd）背景值超标,进而影响贵州省马铃薯（中国西南部马铃薯主产区）的安全、品质、产量等,因此,对马铃薯中重金属积累机制的研究是制定应对策略的基础之一。本研究对Cd低积累马铃薯的镉耐性和积累机制进行探究,在转录组和全基因组的基础上,挖掘出可能造成马铃薯品种间Cd积累机制差异的相关基因,通过系统和比较组学、q RT-PCR、烟草叶片亚细胞定位、分子克隆、酵母功能互补、植物过表达、离子扫描选择等技术来对其功能进行了阐释,并探讨了候选基因在低积累型马铃薯（云薯505）镉从根向地上部分运输过程中的作用机理。主要研究结果如下:（1）通过聚类分析比较了20个马铃薯品种,在不同组织部位中的镉污染程度、富集程度以及人类食用该品种马铃薯的健康风险指数,筛选得到云薯505（低积累品种）、威芋7号（高积累品种）作为后续研究材料。云薯505根积累镉显著高于威芋7号,而威芋7号则在茎和叶中大量积累了镉,从而使得整株镉含量高于云薯505。总体来看,不同品种各部位污染指数为:根>茎>叶>块茎,或根>叶>茎>块茎,根的分级区间（4级或5级）属于中高度污染级别,不同品种茎和叶的分级区间相差较大（1级到5级不等）,除青薯9号的块茎分级区间为2级警戒级别外,其余所有品种的块茎均为1级安全级别,整株污染区间（3到4级）,污染级别为中轻度;富集系数从大到小总体表现为:根>茎>叶>块茎,将20个马铃薯品种划分为低积累组、中积累组、高积累组;马铃薯的食用风险评估发现,不同品种的THQ值均远小于1,最高仅为0.14,说明长期食用在这种镉高背景土壤中生长的马铃薯不会对人体健康造成影响。（2）通过贝叶斯网络和随机森林研究不同马铃薯品种种植前后,土壤性质及不同镉形态的变化规律,初步阐明了有机质（SOM）和p H是影响土壤中有效态镉的重要因素,进而影响马铃薯中镉富集和毒害。（3）基于转录组数据建立了差异和共表达基因集,基于GSEA基因集富集分析,结果表明差异基因集（G2＿up）主要富集在离子跨膜转运、氨基酸跨膜转运、羧酸跨膜转运过程,包括ABC转运蛋白,重金属相关的异戊烯基植物蛋白（HMA）、Me离子结合蛋白、Fe2+转运蛋白等,而共表达基因集（G1＿up）富集在次生代谢、催化活性的负调控、生物过程的负调控、分子功能的负调控过程,说明两品种跨膜转运基因的表达模式可能有所差异,并通过ABC和HMA家族成员表达模式聚类分析发现,两品种出现差异表达明显,这可能是品种间St ABCs、St HMAs特异性分化,造成两品种间高/低积累镉的关键原因;而WRKY较其它转录因子家族成员差异表达数目最多（82个）,因此选择St ABC、St HMA和St WRKY家族进行后续研究。（4）基于植物全基因组数据,利用HMMER本地化检索命令,根据ABC、HMA、WRKY家族经典结构域（PF03106、PF00403、PF00005）的隐马尔科夫模型（HMM）,在多物种的全基因组数据库中进行鉴定,包括马铃薯及模式植物（拟南芥、水稻）等6种物种中的ABC、HMA、WRKY家族成员。在马铃薯中分别鉴定出84个ABCs、36个HMAs以及71个WRKYs。依次命名为St ABC1-84、St HMA1-St HMA36、St WRKY1-71。并根据家族基因结构、基序结构以及物种间系统发育进化树将St ABC家族分为6个亚家族,命名为:St ABCA、St ABCB、St ABCC、St ABCD、St ABCE、St ABCF亚家族;St HMA家族分为6个亚家族,根据同一进化支内模式植物（拟南芥及水稻）的功能注释及名称命名为:St HIPPa、St HIPPb、St HIPPc、St CCH、St PAA1、St RAN1亚家族;St WRKY家族分为6个亚家族,分别命名为:St WRKYa、St WRKYb、St WRKYc、St WRKYd、St WRKYe、St WRKYf亚家族。（5）通过系统组学和比较组学分析并统计了各个家族存在功能特异或保守的成员,为后续分子研究提供了遗传资源;利用实时荧光定量PCR（q RT-PCR）,建立了重金属胁迫下的组织时空特异性表达的重要框架（St ABCs、St HMAs、St WRKYs）,进一步在低积累镉型马铃薯（云薯505）挖掘了可能积极参与镉胁迫应激的功能基因,并在各家族中选择具有代表性或特异性的基因开展后续验证实验。保守成员包括种内复制模板、种间共同复制模板、无内含子、共表达、积极响应上调;特异成员包括亚细胞定位变异、跨膜结构域、有益突变、启动子、组织部位特异表达。本研究进一步选择了可能积极参与镉胁迫的功能基因开展后续验证实验（St ABCs 4/15/27/39、St HMAs 8/22、St WRKY29）。（6）通过酵母功能互补及镉积累实验发现,候选基因表达增加了镉敏感型菌株△ycf1的耐受性,其中St WRKY29和St ABC4赋予△ycf1更高的耐受性,p St WRKY29>p St ABC4>p St ABC39>p St HMA22>p St ABC27>p St ABC15>p St HMA8;St HMA22、St ABC27、St ABC15、St HMA8和St ABC39属于镉高积累功能基因,St ABC4和St WRKY29是镉低积累基因,其中表达St HMA8镉积累量最高,是低积累St ABC4的16.47倍;转录因子St WRKY39可能是通过调节下游相关激酶调控菌株对镉积累,有趣的是,没有跨膜结构域（TMDs）且核苷酸结构（NBDs）变异的St ABC4似乎有着特别的机制来应对镉胁迫。（7）根据过表达植株表型、非损伤性扫描离子选择电极技术（SIET）、生理指标分析结果表明,过表达St WRKY29赋予植株高耐受性,而St HMAs 8/22赋予中等耐受性。特别的是,过表达St WRKY29拟南芥表现出侧根密度及根长优势,长期高浓度胁迫时出现花粉管的伸长,其原因还待探索。（8）在烟草叶片组织细胞瞬时表达St WRKY29、St HMAs 8/22,结果表明,St WRKY29定位于细胞核表达;而St HMAs 8/22于细胞膜和细胞质。通过St WRKY29、St HMA22过表达拟南芥,St HMA8过表达烟草发现,St WRKY29、St HMAs 8/22使植株镉耐受性和积累的组织部位出现一定差异,我们将其定义3种类型,分别为:St WRKY29地上部分低积累型、St HMA22根-茎积累型、St HMA8茎-木质部积累型;过表达St WRKY29植株仅在根部积累Cd,大大降低了茎和木质部的镉含量,而St HMAs 8/22均增加了根及茎下部镉含量,尤其是St HMA8导致镉在茎木质部积累显著,这说明St HMAs 8/22能够将Cd由根向茎运输,同时结合镉离子形成毒性较低的Cd-复合物,并将其固定在茎中的木质部,这一过程看似增加了镉含量,但实则降低了镉的毒害程度,进而增加了植株对镉的耐受性。综上所述,云薯505（低积累型马铃薯）较威芋7号（高积累型）差异上调的候选基因,可能是导致云薯505块茎低积累镉的重要基因。植株过表达候选基因,显示出高耐镉-根高积累-茎和木质部低积累（St WRKY29）、中耐-根-茎积累（St HMA22）、中耐-茎-木质部积累（St HMA8）,候选基因St WRKY29的表达阻止了镉向地上部分运输,St HMA22将镉离子大部分结合,并固定在根,以及茎的下部,St HMA8则将镉阻隔在根和茎之间的木质部,从而减少了植株地上部分镉含量。假设马铃薯高低镉积累品种在从地上部分向下转运镉至块茎的机制相同,那么候选基因的表达是赋予马铃薯块茎低积累性的主要原因,其在云薯505中较威芋7号显著上调表达是造成云薯505块茎镉含量较威芋7号含量低的主要影响因素。这一发现为植物阻断镉向地上部分运输机制的研究提供了新的视角,为马铃薯种质创新提供了优良的遗传资源,为进一步研究马铃薯镉积累的分子机制奠定了一定的基础。