日益严峻的重金属污染是目前人们密切关注的全球性环境问题之一。植物修复技术是治理环境重金属污染的一种高效经济的环境修复技术。与大多数植物不同,超积累植物具有更高效的重金属吸收速率和更强的重金属富集能力,是用于发展植物修复技术的重要资源植物。然而,超积累植物强耐受与超富集重金属的机制依然亟需深入研究。东南景天是在我国发现的镉/锌超积累植物,不仅能够在高浓度镉和锌的环境中生长,还能够将根部吸收的大部分镉和锌高效地转运至植株地上部分。本论文主要以东南景天为实验材料,从植物器官水平和细胞水平研究了东南景天超富集镉的生理生化特征,进一步通过蛋白质组学和文库筛选的方法,初步探究了东南景天超富集镉的分子机制,主要取得了以下结果:利用东南景天愈伤组织诱导了超积累型东南景天和非耐受型东南景天悬浮细胞,超积累型东南景天悬浮细胞依然具有强耐受镉的特征,但是对镉的富集量却低于非耐受型东南景天悬浮细胞。非损伤微测技术的测定结果表明,尽管两种类型的悬浮细胞对镉的瞬时吸收速率没有显著差异,但是超积累型东南景天悬浮细胞具有外排镉的特征,而非耐受型东南景天悬浮细胞不具备外排镉的特征。转录组和荧光定量PCR的进一步分析表明,镉外排转运蛋白基因SaHMA2在超积累型东南景天悬浮细胞中的表达量是其在非耐受型东南景天悬浮细胞中表达量的100倍以上,而且SaHMA2在超积累型东南景天根、茎和叶中也是组成型表达,显著高于其在非耐受型东南景天各组织中的表达。上述结果暗示了东南景天不是在细胞水平上完成对镉的超富集作用,而是在植物水平上完成对镉的超富集作用,并且细胞对镉的外排作用是东南景天超富集镉的重要特征。镉通过外排作用转运出细胞后会进入细胞壁中,而细胞壁是植物细胞的最外层结构,含有大量能与镉螯合的基团,对镉的转运和超富集过程中具有十分重要的作用。通过对镉螯合物的特征进行分析,探究了东南景天植物各器官对镉的富集机制。超积累型东南景天叶和茎富集的Cd含量显著高于根中的镉含量。叶和茎细胞壁螯合的镉含量分别是总镉含量的63%和78%,其中半纤维素Ⅰ结合的镉含量最高,分别占细胞壁镉含量的40%和48%;根细胞壁螯合镉的含量是根部总镉含量的90%以上,其中半纤维Ⅱ结合的Cd含量最低,仅为细胞壁镉含量的6.5%,而根细胞壁其它组分结合的Cd含量没有明显差别。此外,非耐受型东南景天根和茎细胞壁中果胶的Cd含量最高,分别占细胞壁总Cd含量的56%和75%,而叶细胞壁半纤维Ⅱ结合的Cd含量最低,其它组分结合的Cd含量没有明显差别。通过凝胶过滤层析和高效液相色谱等方法的研究发现,东南景天叶和茎中6.6%的水溶性镉与植物螯合肽和谷胱甘肽结合形成高分子量和低分子量的巯基-镉复合物,90%以上的水溶性镉可能与糖醛酸类生物小分子结合形成小分子量复合物;而在不具备超富集镉能力的根和悬浮细胞中,水溶性镉与植物螯合肽和谷胱甘肽结合形成高分子量和低分子量的巯基-镉复合物。此外,非耐受型东南景天根、茎、叶和悬浮细胞中的水溶性镉均与植物螯合肽和谷胱甘肽结合形成巯基-镉复合物。以上结果表明,螯合形式的差异是东南景天不同植物器官超富集镉的重要机制,半纤维素Ⅰ和糖醛酸类生物小分子对东南景天茎和叶超富集镉具有重要作用。以酿酒酵母为宿主,在镉胁迫下,通过筛选东南景天叶片cDNA文库,获得了 72个与镉耐受相关的基因,如植物螯合肽合酶、核糖体蛋白、钙结合蛋白和一些未知功能蛋白的编码基因;也获得了 20个与镉敏感相关的基因,如水解酶蛋白、蛋白翻译起始因子和翻译相关蛋白的编码基因。通过3’RACE和5’RACE的方法,在东南景天中扩增了其中的蛋白翻译起始因子编码基因SaeIF1。SaeIF1全长编码区含有582 bp,预测编码120个氨基酸。同源性分析发现SaeIF1与其它植物中的eIF1序列相似性达到66%以上,且含有SUI1的典型保守结构域,在功能上参与细胞内蛋白质翻译起始的调控过程。在烟草原生质体中瞬时表达SaeIF1:GFP融合蛋白的结果表明SaeIF1定位于细胞质。在酵母中异源表达SaeIF1能够降低转基因酵母细胞对镉的耐受,但增强其对镉的富集量,过量表达SaeIF1也能降低转基因拟南芥对镉的耐受和增强其对镉的富集量。转录组分析表明一个SaeIF1基因拷贝在超积累型东南景天叶、茎和根中组成型高表达,而且在镉处理前后超积累型东南景天叶、茎和根中SaeIF1的表达量均比非耐受型东南景天高出100倍以上。同位素标记定量技术（iTRAQ）进一步研究了蛋白质组学,结果表明超积累型东南景天有248个组成型表达的蛋白量显著高于非耐受型东南景天,它们主要参于了细胞壁的合成与修饰、能量代谢和离子转运等生理过程。SaeIF1增强了东南景天对镉吸收、转运和细胞壁等相关蛋白的大量合成,从而调控了东南景天对镉的超富集作用。另外,通过筛选amiRNA拟南芥文库,得到了 9个响应镉胁迫的amiRNA转基因植株。进一步研究发现,镉敏感转基因植株4-138的amiRNA靶标了 6个DREB超家族的AP2/ERF转录因子CBF1、CBF2、CBF3、CBF4、ERF34和ERF35。利用杂交和CRISPR技术对其中5个转录因子进行敲除,获得了对镉敏感的erf34/35双突变体和cbf1/2/3三突变体。通过Chip-seq和转录组分析,发现ERF34和ERF35有共同的下游靶基因NRT1.8。在镉处理下,NRT1.8的表达量在拟南芥中上升了 2倍,但NRT1.8在erf34/35双突变体中的表达量不受镉胁迫的影响。通过对转录组分析,发现超积累型东南景天中的ERF34和ERF35的同源基因表达量比非耐受型东南景天高,这为深入阐明东南景天超富集镉的调控机制奠定了基础。综上所述,东南景天SaHMA2的高量表达增强细胞对镉的外排作用,并且镉的外排作用是东南景天超富集镉的重要特征;半纤维素Ⅰ和糖醛酸类生物小分子对镉的螯合也是东南景天超富集镉的显著特征,它们可螯合茎和叶富集的大多数镉;SaeIF1增强东南景天对镉吸收、转运和细胞壁等相关蛋白的大量合成,从而调控东南景天对镉的超富集作用。