重金属污染不仅严重影响农作物的产量和品质,而且通过食物链危害人类健康。环境保护部和国土资源部调查发现,镉污染是目前中国污染最严重也是污染面积最大的重金属污染。植物既是重金属流入人体最主要的途径之一,也是开展重金属污染土壤植物修复工程最关键的载体。中国有大量的油菜种质资源,甘蓝型油菜和芥菜型油菜部分品种对镉也有一定的耐受和积累能力,具有修复土壤重金属污染的同时保持其原有经济价值的潜力。因此,研究甘蓝型油菜和芥菜型油菜二者在镉胁迫下的响应机制,鉴定油菜体内镉吸收和代谢相关转运蛋白或功能基因,对于培育用于土壤污染修复的实用型镉超积累油菜或可在镉污染土壤上正常生长的高抗、低积累油菜品种意义重大。本研究选用生物量较大、经济价值较高的甘蓝型油菜(Brassica napus),中双11号(Bn#1)、中油821(Bn#2)和芥菜型油菜(Brassica juncea),屏山青菜(Bj#1)、河南油菜(Bj#2)作为试材,对其在不同镉胁迫浓度下的生长生理特性、镉及矿质元素富集能力、籽粒品质、镉转运相关同源基因表达情况等进行了较为全面的研究,并结合转录组测序数据进行系统的生物信息学分析,以期发现油菜响应镉胁迫的关键功能基因和代谢途径,进一步揭示油菜耐受和富集镉的相关分子遗传机制,为构建实用型镉超富集植物提供一定的理论依据。主要研究结果如下:(1)盆栽试验下,外源镉胁迫对抽苔期油菜生长影响较小。镉胁迫对油菜的CO2同化效率有一定程度的影响,但对株高、有效分枝数及生物量均未产生显著的抑制现象。油菜对镉的富集量随镉胁迫浓度的增加而升高,但4个油菜品种对镉的耐受和富集能力存在明显差异。综合分析根部和地上部镉浓度发现,甘蓝型油菜根部镉浓度远大于地上部,芥菜型油菜根部和地上部镉浓度接近,Bj#2地上部镉浓度甚至高于根部,这表明芥菜型油菜将镉由根部向地上部转运的能力较强。此外,镉生物累积量Bn#2>Bj#2>Bn#1>Bj#1,镉主要富集在油菜地上部各器官且镉累积量与生物量成正比,表明植株生物量是影响油菜镉生物累积量的主要因素。(2)镉胁迫70天后,收获成熟油菜籽粒检测发现,镉胁迫不仅导致油菜籽粒镉含量超标,而且对籽粒的营养品质产生了一定程度的影响。50 ppm和200 ppm镉胁迫下,所有品种的籽粒镉含量最低为2.02μg/g,均超过农作物镉含量限值(0.2μg/g DW)且与镉胁迫浓度成正比;气相色谱分析表明,镉胁迫下籽粒脂肪酸组成变化明显,油酸、亚油酸等对人体健康有益的脂肪酸含量降低,而有害的芥酸含量一定程度上升。(3)镉胁迫导致油菜矿质营养元素吸收、运输和再分配紊乱。镉胁迫对钙、镁、铁、锰、锌、铜等6种矿质元素在油菜各器官分布影响显著,而且因油菜品种和器官的不同而表现为促进作用或抑制作用。其中,尤其是在相对较低镉浓度条件下,铁元素和锰元素在植物体内的富集显著增多。(4)镉胁迫影响了可能参与油菜体内镉吸收和运输相关的多个跨膜蛋白的表达量。提取Bn#1和Bj#1下层叶、上层叶和角果的总RNA,纯化、反转录反应后进行荧光实时定量PCR检测显示ABCC家族、CET家族、HMA家族以及Nramp家族的多个转运蛋白基因的表达量变化与镉胁迫相关,表明这些基因所编码的蛋白可能参与调控油菜中镉的吸收和转运过程,其中以ABCC家族和HMA家族的基因最为明显。(5)提取0 ppm和200 ppm镉胁迫30天的Bn#1上层叶片总RNA用于转录组测序,分析鉴定出2102个甘蓝型油菜成熟叶片镉胁迫响应基因,112个差异表达基因显著富集的GO单元和10个差异表达基因显著富集的KEEG代谢途径。2102个显著差异表达基因中包括上调表达基因680个,下调表达基因1422个。GO和KEGG富集分析表明,油菜体内氧化还原过程和包括硫代谢在内的多种次生代谢途径对镉胁迫产生了积极响应。同时,对DEGs进行功能注释后筛选出82个转运蛋白基因,其中包括16个金属离子转运蛋白基因。BnHMA2在拟南芥和水稻中的同源蛋白AtHMA2和OsHMA2已被证实具有吸收和转运Cd的能力。此外,荧光实时定量检测结果也与转录组测序结果一致,证实了转录组测序分析结果的可靠性。