随着我国城市化和工业化进程的不断推进,相应的环境问题也不断显现。近年来,我国农业土壤的重金属污染问题逐渐成为了我国环境的重点问题,并受到人们的广泛关注。众多研究表明水稻对镉元素的累积是受到大量基因调控影响的,主要包括NRAMP家族、HMA家族的相关基因,然而当前依旧有大量的参与植物镉累积过程的基因未被研究报道,对这些未知基因的研究能够为解决“镉米”问题提供相应的理论背景。研究表明,增加磷酸盐的施用能够减少植物对镉元素的累积,但是该过程的作用机理尚不清楚;磷肥是世界上施用量最大的肥料之一,对磷酸盐减轻水稻镉毒害过程进行研究能够为通过施肥管理措施减轻作物镉累积提供理论依据。本研究通过对三峡库区种植的14个水稻品种进行镉处理筛选,找到了一个镉高积累品种(Cd-T)和与之对应的镉低积累品种(Cd-N1和Cd-N2)。首先通过对Cd-T和Cd-N1这一对品种进行土培对比试验,测定高低镉累积品种之间金属离子的富集和转运能力的差异,然后对两个品种进行转录组分析找到相关的关键基因;随后,结合分子生物学手段对该基因进行功能验证。之后,对Cd-T与Cd-N2进行磷镉互作响应研究,通过测定两个品种在不同磷、镉处理下的生理差异,结合转录组分析数据探究磷在缓解水稻镉毒害过程中的分子机理。基本结果如下:(1)高低镉累积水稻品种的筛选Cd-T是一个镉高累积的水稻品种,在1mg/L和10mg/L镉处理下其地上部镉含量分别达到了118.82mg/kg和196.16mg/kg,都显著高于Cd-N1和Cd-N2。(2)镉相关关键基因的筛选和验证在低浓度镉处理条件下,Cd-T根部吸收镉的能力和从根向地上部转运镉的能力显著强于Cd-N1。在低浓度镉污染土壤(0.28mg/kg)中,Cd-T的根、茎和叶组织中的镉含量分别达到了7.23、0.96和1.97mg/kg,分别是Cd-N1的3.53、6.40和4.11倍。但是,在1.28mg/kg和50.28mg/kg镉处理下,两者之间没有显著差异。同时,Cd-T和Cd-N在多种微量元素富集能力方面均有一定的差别。在计算两个水稻品种各个组织的富集和转运系数之后发现,Cd-T根部的富集系数和根部向地上部的转运系数分别为25.81和0.14,显著高于Cd-N1的7.31和0.07,说明Cd-T镉累积能力强于Cd-N1的主要原因是Cd-T根部吸收和转运镉元素的能力显著强于Cd-N1。在低浓度镉处理条件下,Cd-T的光合作用能力要强于Cd-N。但是两个水稻品种的叶绿素含量并未存在显著差异。转录组分析发现,在0.28mg/kg镉污染土壤培养条件下,Cd-T根部和茎部的OsNRAMP2、OsZIP2和OsIRT1三个基因的表达量显著高于Cd-N;经过进一步分析发现,OsZIP2可能是导致两个水稻品种在低镉条件下水稻组织中镉含量差异显著的关键基因。在野生型水稻中过表达OsZIP2基因能够增加水稻籽粒中的镉含量,过表达植株种子中的镉含量为38.73μg/kg,高于对照组的29.15μg/kg;水培实验中10mg/L镉处理下过表达植株的地上部镉含量为437.13mg/kg,显著高于对照组的178.26mg/kg,说明OsZIP2具有促进镉元素向水稻运输的功能。OsZIP2在水稻中起到促进水稻吸收镉元素的作用。(3)磷酸盐对水稻响应镉毒害的影响Cd-T和Cd-N2在0 mg/L和10 mg/L磷酸盐处理下生物量、株高和根长都有一定程度的减退,说明低磷和超高磷都会对水稻产生胁迫。中高等浓度的磷处理(3mg/kg和10mg/kg)都会导致两个水稻品种体内的镉含量下降,在3mg/L和10mg/L磷酸盐处理下,Cd-T地上部镉元素含量分别为82.61mg/kg和61.57mg/kg,显著低于1mg/L磷酸盐处理下的镉含量121.47mg/kg。这说明较高的磷酸盐浓度能够有效增强水稻根部对镉毒害的抵抗。低磷浓度处理条件下,Cd-N2水稻品种中各组织中的镉含量显著降低,但是Cd-T各个组织中镉含量未受到影响。3mM的磷酸盐能够促进Cd-T和Cd-N2水稻地上部抗氧化酶活性,但是10m M和0m M磷处理却会导致水稻抗氧化酶活性的降低。在增加磷酸盐的施用量后,Cd-T和Cd-N2幼苗地上部组织中的叶绿素含量也随之提升,说明水稻苗遭受的镉毒害随磷酸盐的施用而缓解。转录组分析发现,在3mg/kg磷处理时,长期镉处理条件下,Cd-N2植株根部的OsNRAMP5、OsHMA2、OsIRT1、OsZIP2等基因的表达量均显著下调。这说明,该4个镉运输相关基因可能参与了在磷营养条件下水稻对镉的响应过程。磷酸盐的施用能够显著抑制水稻根部OsHMA2、OsNRAMP5和OsIRT1这三个镉转运基因的表达,从而降低水稻对镉元素的累积。而水稻组织中镉元素含量的下降也就导致了在镉污染调价下增加磷酸盐的施用量后Cd-T和Cd-N2生物量和叶绿素含量的增加。