镉(Cd)污染向食物链的迁移给人类健康造成了极大危害，通过遗传改良培育Cd低积累或修复型作物品种是应对Cd污染的重要手段。为了研究水稻Cd积累的遗传调控机理，我们通过离子组学筛选得到了水稻籽粒和地上部Cd积累存在显著差异的品种，并选取其中的TN1（籼稻）和CJ06（粳稻）组合开展了深入的研究。生理学分析发现增强的Cd长途转运能力可能是TN1中地上部分Cd高于CJ06的主要原因。利用TN1和CJ06来源的双单倍体(DH)群体，我们定位到了多个调控地上部和籽粒Cd积累的QTL位点，并克隆和功能研究了2号染色体上调控水稻叶片Cd积累的目标QTL基因CAL1。　　CAL1属于植物防御素家族。两个亲本间序列比对发现，CAL1基因的编码区有多处SNP，但没有造成氨基酸序列变化，启动子区存在多处SNP和插入缺失突变。组织表达表明该基因在TN1节和旗叶鞘中的表达水平显著高于CJ06。在TN1和近等基因系NIL(TN1)根中，CAL1受Cd诱导表达水平高于CJ06和NIL(CJ06)。通过对转基因互补株系和突变体表型鉴定，证实CAL1正调控水稻叶片和木质部伤流液Cd积累量。CAL1蛋白第70位氨基酸由亮氨酸到缬氨酸的自然变异水稻品种中，其叶片和木质部伤流液Cd含量降低。此外，该基因异源过表达能增加拟南芥叶片和木质部伤流液Cd的含量。这些结果表明CAL1正调控水稻叶片Cd积累，并促进了木质部Cd的装载和长途转运过程。　　生物信息学分析表明CAL1蛋白的N端有信号肽和剪切位点。无论瞬时转化洋葱表皮细胞或水稻稳定转化分析都表明CAL1-mRFP融合蛋白可以有效分泌到质外体空间。GUS组化和原位荧光分析表明CAL1主要在木质部薄壁细胞和根中外皮层表达。Western blot和质谱检测分析在水稻木质部伤流液中发现CAL1蛋白，而且其在水稻根、叶鞘和叶片中以两种形式存在:未加工成熟的前体和经过剪切加工而成的成熟形式。CAL1蛋白富含半胱氨酸，等温滴定量热法(ITC)分析表明去除信号肽的CAL1蛋白(ΔSPCAL1)是一个低亲和力的Cd结合蛋白，并且对Ca、Fe、Mg、Zn、Cu和Mn没有结合能力，说明其特异结合Cd。ΔSPCAL1异源表达能增强酵母和大肠杆菌对Cd的抗性。进一步研究显示CAL1过表达株系原生质体中Cd含量降低，而突变体原生质体中Cd含量增加。这说明CAL1促进了细胞质Cd的外排。我们的研究结果表明CAL1TN1在根中受Cd诱导高表达，使更多的CAL1-Cd螯合物外排至胞外，并通过木质部伤流液长途转运促进TN1地上部Cd高积累。