重金属污染问题因其毒性、不可降解和生物积累等特性,严重危害污染地区人民的生命健康和农业经济发展,成为我国目前最急需解决的土壤生态难题之一。2019和2020年度《中国生态环境状况公报》均强调“重金属为影响农用地土壤环境质量的主要污染物,其中镉（Cd）为首要污染物”。2014年《全国土壤污染调查公报》显示Cd的点位超标率为7%,占重金属首位。中国农业用土壤Cd含量的二级标准值为0.25～0.6 mg/kg。研究表明高Cd污染地区（＞1 mg/kg）主要分布在云南、广东和广西等南方省份。降低耕地重金属浓度和对污染土地进行安全利用是2016年颁布的《土壤污染防治行动计划》的重要工作内容之一。因此,寻找和开发绿色高效、可持续的大面积重金属污染治理的方法是目前土壤重金属污染治理的重点和难点。目前土壤重金属污染治理的方法主要包括化学、物理和生物修复技术。虽然传统的客土法、石灰改良法、化学淋洗法、热处理及电动修复法等修复方法修复时间较短,但是这些方法投资成本极高,效率低,造成土壤结构破坏,容易引起二次污染。而植物修复技术是指绿色植物通过植物固定和植物提取等过程从受污染的土壤或水体中去除污染物的方法。该方法由于其原位修复、安全、经济、不造成二次污染等特点正成为国际范围内研究和开发的热点。早期研究主要关注于草本超富集植物,但因其一年生、生物量较小和经济价值较低等特点,在重金属污染治理中很难大面积推广。近年来,生物量大的多年生木本植物逐渐引起了植物修复领域科学家们的关注。桑树是一种根系发达,生物量高,分布广泛,适应性强,耐修剪的多年生重要特色经济林木,桑叶是家蚕的主要饲料,主要经济产物蚕丝用于纺织而非食用。利用栽桑养蚕系统开展土壤重金属污染治理引起了环境污染研究者的兴趣并逐渐成为该领域的一个热点。在Cd污染土壤中生长,桑树中大部分Cd在根中积累,桑树不同部位的Cd浓度依次为根＞茎＞叶。家蚕中大部分Cd通过粪便排出体内,家蚕不同部分的Cd浓度依次为粪便＞幼虫＞蚕茧。对已发表的文献数据进行提取分析,结果发现多年生桑树对于Cd的耐受性较好,对于土壤中Cd的耐受最大浓度为22.3～37.0 mg/kg。家蚕对桑叶中Cd的耐受最大浓度差异较大（0.49～6.48 mg/kg）。在Cd污染土壤中生长,桑树根、茎和叶的加权平均Cd富集系数（组织Cd浓度/土壤Cd浓度）分别为0.84、0.24和0.09。家蚕粪便、幼虫和蚕茧的加权平均Cd富集系数（组织Cd浓度/桑叶Cd浓度）分别为1.51、1.23和0.14。分别以饲料卫生标准（GB 13078-2017）中Cd的限量2.0 mg/kg,以及生态纺织品技术要求（GB/T 18885-2020）中Cd的限量0.1 mg/kg为标准,计算得到安全利用桑树用于饲料和蚕茧生产对应的Cd土壤安全浓度上限分别为22.2和7.94 mg/kg。基于报道的数据计算,小于22.22 mg/kg和小于7.94mg/kg的Cd污染土壤（＞0.25 mg/kg）样品数量占总Cd污染样品数量的百分比分别是98.39%和91.57%。以上结果表明栽桑养蚕缫丝理论上适合超过90%的Cd污染土壤的安全利用。在降低土壤重金属浓度方面,除了栽桑养蚕,在生产实践中,每年对桑树伐枝,伐下的枝条大多作燃料或造纸等。这些过程使得部分桑树所吸收的Cd被移出土壤,从而降低土壤Cd浓度。因此,在较为漫长的大面积土壤重金属污染修复过程中,通过栽桑养蚕对Cd污染土地的安全利用,能够兼顾生态修复和经济发展。以上结果都表明蚕桑系统是一个具有巨大潜力的Cd污染土地修复体系。目前对桑树Cd胁迫反应的研究主要集中在生理分析上,对响应Cd胁迫分子机制的研究较少,桑树Cd胁迫响应理论的缺乏严重制约了桑树高效用于土壤Cd污染治理潜能的挖掘。此外,不同桑树或桑树砧木种质/品种资源的Cd胁迫耐受和累积等特性评价挖掘报道较少,也严重制约了桑树用于土壤Cd污染治理的效能。基于以上考虑,我们从四个方面开展工作。（1）对桑树Cd的吸收、转运、隔离和螯合解毒相关基因进行了全基因组范围的鉴定、克隆和功能解析,获得的关键基因为创制具有不同Cd积累特性材料提供基因资源;（2）收集已报道的Cd胁迫下植物转录组数据开展meta分析,分析植物Cd胁迫响应的共同关键调控网络和关键基因,为进一步阐明桑树Cd胁迫响应的分子机制提供基础;（3）开展不同桑树或桑树砧木种质/品种Cd耐受和累积等特性评价,为不同要求的Cd污染土壤治理举措提供理论和品种支撑。同时,筛选出Cd耐受和累积等特性差异显著的品种,为开展桑树Cd胁迫响应的分子机制研究提供材料;（4）通过离子组、转录组和代谢组分析造成桑树品种Cd胁迫耐受和累积等特性差异显著的分子机理,进一步阐明桑树Cd胁迫响应的分子机制和挖掘相关关键基因。具体结果如下:（1）桑树Cd转运蛋白和植物螯合酶基因的全基因组鉴定、克隆和功能1)参与桑树Cd吸收、转运和隔离的四个转运蛋白基因家族的全基因组鉴定、克隆和功能解析通过对川桑（Morus notabilis）基因组数据库的全基因组分析,我们共鉴定了31个ZIP、NRAMP、HMA和MTP转运蛋白基因。生物信息学分析结果表明,在桑树4个转运蛋白基因家族各自的系统发育树中,同一Group成员的基因外显子/内含子结构和蛋白质基序结构相似。亚细胞定位软件预测这些转运蛋白主要分布在质膜和液泡膜上,同一Group成员的亚细胞定位类似。大多数基因启动子含有非生物胁迫相关的顺式作用元件。这些基因在川桑不同组织器官中的表达模式大致可以分为4组,表达水平总体上按组C＞D＞B＞A顺序下降。同时,在桂桑优62（Morus atropurpurea cv.Guisangyou62）中克隆得到对应的31个同源基因,氨基酸相似度≥87%。分别用低Cd或高Cd浓度（分别为30和100μM）处理桂桑优62幼苗24 h,31个基因在幼苗的根、茎和叶中的转录调控模式不同,且上调基因在24 h内的表达峰值时间也不同。在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中分别异源表达MaNRAMP1、MaHMA3、MaZIP4和MaIRT1,均增加了转基因酵母对Cd的敏感性,从而说明这些转运蛋白参与Cd的转运。亚细胞定位实验结果表明,这4个转运蛋白均位于酵母和烟草细胞的质膜上。在桑树幼苗中瞬时过表达MaNRAMP1和MaZIP4,随后对对照和过表达系桑苗进行Cd胁迫1d和Cd含量检测。结果显示同对照相比,转基因株系的根和地上部分Cd含量显著上升。2)参与桑树Cd螯合解毒的PCS基因的功能分析我们课题组在前期实验中已证明川桑PCS1和PCS2参与桑树对Zn的耐受和积累。在本实验中,使用30和100μM Cd2+处理桂桑优62幼苗24 h,检测PCS1和PCS2在幼苗根、茎和叶中的表达量,结果显示PCS1和PCS2受到Cd诱导。在30μM和100μM Cd2+处理野生型（WT）转Mn PCS1幼苗和转Mn PCS2拟南芥幼苗9 d后,测定幼苗的鲜重和根长。结果显示同对照相比,大多数Mn PCS1和Mn PCS2过表达株系的Cd耐受性增强,并且Mn PCS1比Mn PCS2在Cd解毒中发挥更重要的作用。在两种Cd浓度处理下,转基因拟南芥幼苗地上部分和根部的Cd浓度均分别显著高于野生型幼苗的。（2）植物Cd胁迫转录组数据的meta分析为了从不同植物的Cd胁迫转录组数据中提取一般结果,并获得一些响应Cd胁迫的关键基因,我们对32个已发表的数据集进行了meta分析。聚类分析表明,在植物根系对Cd响应的转录组模式中,植物种类比使用的培养介质和处理时间起着更重要的作用。同其他物种相比,禾本科植物的转录组数据集之间更加聚集。在18个类禾本科（Gramineae-like,GL）数据集中,至少在9个以上数据集中存在的差异基因（DEGs）（频率≥50%）数量为838个。GO和KEGG通路富集分析表明,这些DEGs在氧化应激和木质素合成相关通路上显著富集。Mapman分析显示,这些共有的DGEs主要参与调控、细胞反应、次级代谢、转运、细胞壁和脂质代谢。对6对高/低Cd积累性状的品种进行比较转录组分析,结果显示不同物种高/低Cd积累性状的相关机制可能不同。（3）不同桑树种质/品种Cd耐受和累积特性评价采用20μM Cd Cl2处理7个桑树品种10日龄幼苗7 d。结果显示,丰驰（FC）的地上部和根部Cd浓度最高,而桂桑优12（G12）的最低。此外,根据幼苗鲜重的结果,G12对Cd的耐受性较FC强。考虑到组学研究需要的生物量和生长阶段,将30日龄FC和G12幼苗分别在0、30和100μM Cd Cl2条件下处理7d。结果表明,在100μM时,FC根的Cd浓度显著高于G12根。（4）Cd耐受和累积特性差异显著桑品种离子组、转录组和非靶向代谢组分析选取桑树品种G12和FC幼苗用于比较组学分析,G12是Cd耐受性较强和Cd积累量较低的品种,而FC是Cd耐受性较弱和Cd积累量较高的品种。在离子组分析中,两个品种（G12和FC）的离子组特性无显著差异。同时,发现不同Cd浓度处理条件下,桑树幼苗根、茎和叶中Na与Cd的分布特征最为相似。在转录组分析中,相同条件下,G12中DEGs的数量显著低于FC。同时,Cd浓度越高,根中DEGs的数量越高。GO和KEGG富集分析结果显示,Cd胁迫显著影响细胞壁组织相关基因,细胞分裂相关基因显著下调。基于效应量Cohen’s d和差异倍数,筛选和分析相同Cd浓度处理下的G12和FC之间的前100个DEGs,结果发现了多个与Cd响应相关的基因。在非靶向代谢组分析中,相同条件下,G12的差异代谢物（DMs）数量略高于FC。同时,Cd浓度越高,根系中DMs数量越高。在相同Cd浓度处理条件下,与FC相比,G12在苯丙素、类黄酮和异黄酮生物合成途径中代谢产物受Cd的影响较小。值得注意的是,FC中芦丁含量显著低于G12。以上研究有助于为桑树应用于Cd污染地区修复提供理论支撑和候选品种,为未来针对Cd污染土壤的桑树遗传改造和分子育种提供候选基因。