镉是植物的非必需元素,过量累积会导致植物的光合作用受到抑制、细胞遭受氧化损伤及DNA合成复制遭受破坏,最终生长发育缓慢、甚至死亡。三七(Panax notoginseng(Burk.)F.H.Chen)是五加科人参属的云南省名贵中药材,其有效成分三七总皂苷可用于治疗心脑血管和跌打损伤等病症。但由于三七种植地与有色金属矿区的高度重叠,三七面临着严重的重金属镉污染问题,不但影响其药效和品质,而且还会危害公众健康。本研究通过镉胁迫下三七根部细胞壁果胶代谢研究发现,镉在三七根部的富集与果胶密切相关,且果胶代谢受钾和油菜素内酯调节。基于镉胁迫下三七转录组测序发现的差异表达基因,根据编码果胶甲基酯酶蛋白(Pectin methylesterase,PME)的EST序列,通过RACE扩增技术(cDNA末端快速扩增技术)从三七根部克隆获得一个新的PME基因PnPME1,并对其进行一系列生物信息学分析。采用实时荧光定量PCR技术对PnPME1基因在三七根部的表达特征进行分析。构建瞬时表达载体pCAMBIA1300-mCherry-PnPME1,通过农杆菌介导侵染洋葱表皮细胞,在激光共聚焦显微镜下观察PnPME1的荧光显色情况,确定其亚细胞位置。此外,将PnPME1基因转入本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中过表达,以进一步研究和验证了PnPME1的功能。本研究的主要工作和结果如下:(1)三七根部细胞壁果胶代谢实验表明,镉胁迫能显著提高三七主根、剪口、筋条中果胶甲酯酶活性并降低果胶甲基酯化程度,使镉大量结合于果胶中。镉胁迫下外源添加油菜素内酯则可进一步加强三七根部的果胶代谢,并提高镉的累积。而钾和油菜素内酯抑制剂则能降低果胶甲酯酶活性并提高果胶甲基酯化程度,进而降低镉在果胶中的累积,且在同时施加镉和油菜素内酯的情况下添加钾同样会抑制果胶代谢和降低镉含量。通过测定三七根部油菜素内酯合成通路的相关基因表达和油菜素内酯含量发现,镉胁迫下外源施加钾可降低油菜素内酯合成通路相关基因的表达,且降低三七根部油菜素内酯的含量。(2)克隆获得了三七根部PnPME1基因的cDNA全长和基因序列,发现PnPME1基因全长1,749 bp,其中包含一个1,563 bp的ORF(Open Reading Frame),共编码520个氨基酸。通过对其进行生物信息学分析,发现PnPME1是一个含有N末端信号肽的分泌蛋白,属于PMEs家族。RT-qPCR结果表明,外源添加油菜素内酯可进一步促进镉胁迫下PnPME1的表达,而外源钾和油菜素内酯抑制剂则显著下调镉胁迫下PnPME1的表达。亚细胞定位实验观察到洋葱表皮细胞的细胞壁上出现明显的荧光,表明PnPME1定位于细胞壁。(3)通过构建植物超表达载体pCAMBIA2300s-PnPME1,并转入野生型本氏烟草中过表达,培育获得转基因烟草。通过RT-qPCR检测转基因烟草中PnPME1的表达情况,发现它可以在烟草中稳定高表达。表型观察发现转基因型烟草在镉胁迫下表现更强的生长能力,且钾和油菜素内酯对镉胁迫下的烟草株系生长具有一定改善作用。果胶代谢及镉含量的测定表明转基因型的果胶中糖醛酸和半纤维素中总糖含量均要高于野生型烟草,且果胶代谢受钾和油菜素内酯的调节。外源钾和油菜素内酯对转基因烟草PME活性和果胶甲基酯化程度的调节与在三七中的趋势一致。转基因型烟草的根部果胶中比野生型烟草积累更多的镉,但它们对镉的结合和累积均受到外源钾和外源油菜素内酯的调节。