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镉（Cadmium,Cd）是一种对所有生物体均有毒害的重金属元素。小麦（Triticum aestivum L.,2n=6x=42,AABBDD）是世界人口的主要粮食作物。我国乃至全球小麦主产区耕地土壤Cd污染日益严重,导致生产的小麦籽粒Cd积累超标。作为人体摄入Cd的主要来源,小麦籽粒Cd积累严重危害人体健康。因此,降低籽粒Cd积累是保障小麦粮食安全和小麦遗传改良研究的重点。小麦籽粒Cd积累主要受根部的Cd吸收、根部向地上部的Cd转运以及地上部的Cd分配三个途径控制。这三个途径受遗传因素和环境因素共同影响。因此,降低小麦籽粒Cd积累需要从遗传措施和环境措施两方面入手。遗传措施方面,目前关于小麦籽粒等组织Cd积累的基因或QTL研究缺乏,制约了小麦Cd积累遗传机制的解析和低Cd积累小麦品种的遗传选育。环境措施方面,合理的氮肥管理是增加作物产量和控制作物Cd积累的一种经济、省时和高效的手段。然而,不同氮素形态调控小麦的Cd吸收、转运、分配和积累的生理和分子机制研究不足。本论文以籽粒等组织Cd含量均存在差异的矮秆波兰小麦（Dwarf Polish wheat,Triticum polonicum L.,简称DPW,2n=4x=28,AABB）和高秆波兰小麦（Tall Polish wheat,简称TPW）及其重组自交系群体为研究材料,挖掘了多环境下控制波兰小麦籽粒等组织Cd含量的QTL,并预测了候选区间内的金属转运体编码基因。分析了不同氮素形态调节DPW幼苗的Cd吸收、转运和积累的生理和分子响应,以及铵态氮（NH4+-N）调节DPW幼苗Cd/Zn互作的生理机制。同时,评价了45个普通小麦品种的籽粒Cd含量,并绘制了NH4+-N影响高Cd和低Cd积累小麦品种籽粒Cd积累的生理和分子途径。主要结果如下:1.波兰小麦籽粒Cd含量与其余各组织Cd含量均显著正相关。利用小麦55K SNP芯片对DPW×TPW重组自交系F9代群体进行了基因分型并构建了遗传连锁图谱;挖掘获得了14个控制波兰小麦籽粒、颖壳、穗节、第一节点、下部叶片、下部茎秆、下部节点和根部等组织Cd含量的新主效QTL。其中,3个为控制籽粒Cd含量的新QTL。14个主效QTL的候选区间内共发现了30个金属转运体编码基因,分别属于ZIP（ZIP transporter）、NRAMP（Natural resistance-associated macrophage protein）、HMA(P1B-ATPase-Heavy metal associated protein)、YSL（Yellow stripe-like transporter）、CCX（Cation/calcium exchanger）、HIPP（Heavy metal-associated isoprenylated plant protein）、MRS（Magnesium transporter protein）、MTP（Metal tolerance protein）、VIT（Vacuolar iron transporter）、ACA（Calcium-transporting ATPase）和ABC（ATP-binding cassette transporter）等家族成员。2.不同氮素形态影响DPW幼苗的Cd吸收、转运和积累。氮缺失时,添加NH4+-N显著降低了DPW根部以及根细胞壁、液泡、可溶性组分和乙醇提取态的Cd含量;诱导了根部ABCG42、ZIP5、ABCB11和HAK4（Potassium transporter）等基因的差异表达;促进了Cd从根部向地上部的转运。在NO3--N背景下,添加NH4+-N显著增加了根部以及根细胞壁和去离子水提取态的Cd含量,诱导了根中22个金属转运体编码基因（ABC、COPT、HMA、CAX、MTP和MRP等家族成员）的差异表达。因此,在氮缺失或NO3--N背景下,添加NH4+-N对DPW幼苗的Cd吸收和积累的作用不同。此外,氮缺失或NH4+-N背景下,添加NO3--N均显著增加了DPW幼苗的Cd吸收和积累。然而,与氮缺失相比,NH4+-N背景下添加NO3--N更大程度地提高了根细胞壁、液泡、可溶性组分和去离子水提取态的Cd含量以及乳糖含量,并且诱导了更多的金属转运体编码基因的差异表达。因此,与氮缺失相比,NH4+-N背景下添加NO3--N更能促进DPW幼苗根部对Cd的吸收和积累。3.在NO3--N背景下,缺失或添加NH4+-N时,Zn均显著抑制DPW幼苗根部的Cd吸收和积累,促进根部向地上部的Cd转运。添加NH4+-N增强了Zn对根部吸收Cd的抑制作用和Zn对Cd向地上部转运的促进作用。缺失NH4+-N时,Cd显著抑制根部的Zn吸收和积累,促进根部向地上部的Zn转运;添加NH4+-N时,Cd显著抑制根部的Zn吸收和根部向地上部的Zn转运。添加NH4+-N减弱了Cd对根部吸收Zn的抑制作用和Cd对Zn向地上部转运的促进作用。与缺失NH4+-N相比,Cd处理时,添加NH4+-N增加了根细胞壁、液泡和可溶性组分以及地上部细胞壁组分的Cd含量;Cd+Zn处理时,添加NH4+-N降低了以上组分的Cd含量。Zn处理时,添加NH4+-N增加了根部和地上部所有组分的Zn含量;Cd+Zn处理时,添加NH4+-N增加了根细胞壁、细胞膜和细胞器组分以及地上部所有组分的Zn含量,但降低了根部其余组分的Zn含量。此外,Cd处理时,NH4+-N显著增加了根中乙醇、去离子水和氯化钠提取态的Cd含量,降低了醋酸和盐酸提取态的Cd含量。Cd+Zn处理时,NH4+-N显著降低了根中去离子水和氯化钠提取态以及地上部氯化钠、醋酸和盐酸提取态的Cd含量,增加了地上部乙醇和去离子水提取态的Cd含量。因此,添加NH4+-N通过影响Cd和Zn的亚细胞分布以及Cd的化学形态来调节了Cd/Zn互作。4.评价了45个普通小麦品种的籽粒Cd含量,筛选获得高Cd积累品种周麦18（ZM18）和低Cd积累品种云麦51（YM51）。分析了NH4+-N对ZM18和YM51的Cd吸收、转运、再分配和积累的影响。在ZM18中,添加NH4+-N下调了YSL、ZIP5、ZIP7、ZIP10和HMA2等金属转运体编码基因的表达,从而抑制了灌浆过程中Cd从下部茎秆、下部叶片、第一节点和倒一节向籽粒的分配,进而降低了籽粒的Cd积累量。在YM51中,添加NH4+-N促进了灌浆过程中根系对Cd的持续吸收,并上调了YSL、ZIP5和COPT4的表达来促进Cd向籽粒的直接转运,进而增加了籽粒的Cd积累量。由于添加NH4+-N降低ZM18的籽粒生物量的比例与降低其Cd积累量的比例相似,而增加YM51的籽粒生物量的比例显著低于增加其Cd积累量的比例,因此添加NH4+-N没有改变高Cd积累小麦ZM18的籽粒Cd含量,但显著增加了低Cd积累小麦YM51的籽粒Cd含量。这些结果进一步表明:大田施加NH4+-N不能用于降低普通小麦的籽粒Cd含量。