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重金属通常可分为两类，一类是植物生长所必需的矿质元素，它们在植物的生长和发育过程中起着重要的作用，但在高浓度下会对植物的生长产生毒害，如铁(Fe)、锌(Zn)、铜(Cu)和镍(Ni)等;而另一类是植物生长的非必需元素，它们对植物的生长和发育具有很大的毒性，如镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)和砷(As)等。自工业革命，尤其是二十世纪以来，全世界范围内，农田土壤重金属污染问题越来越普遍。现在重金属污染已经成为一个全世界普遍关注的环境问题，严重威胁生态安全、农业生产和人类健康。我国是一个受重金属污染严重的国家，在重金属污染物中，以Cd污染最为严重。如何防治土壤Cd污染和修复Cd污染土壤已成为亟待解决的重大问题。在土壤重金属修复技术中，植物修复技术因其经济、环保、高效和不产生二次污染等优点而成为目前最有前途的土壤修复技术。植物修复的效率和植物对重金属的富集能力密切相关，因此寻找重金属超富集植物已成为植物土壤修复技术研究的重要课题。蔓菁是十字花科芸薹属的二年生草本植物，一方面它作为我国重要的食用、饲用及药用作物之一，在我国具有悠久的栽培历史和种植经验，在社会经济的发展中占有十分重要的地位;另一方面它具有生长速度快、生物量大和抗逆性强等优点，是重金属污染土壤植物修复技术的优良候选植物。前人研究发现，蔓菁对Cd的富集能力较强并表现出对Cd强的耐受性，然而缺乏足够的数据支持，同时目前尚无针对蔓菁对Cd的富集特性、在土壤植物修复中的应用潜力及对Cd胁迫响应的生理生化和分子机制的系统性研究。 本研究主要内容包括：⑴根据目前的Cd超富集植物标准，从18个蔓菁品种中筛选出5个具有代表性的Cd超富集品种和另外3个潜在的Cd超富集品种，这3个品种有待进一步研究确认。研究结果表明蔓菁去除Cd的效率取决于Cd的富集能力和植物的生物量。基于蔓菁的强Cd富集能力和生物学特性如快速生长和分布广泛等，我们认为蔓菁在Cd污染土壤的植物修复中有极好的应用潜力，有待进一步深入研究。此外，我们的研究结果还表明，生长于Cd含量超过安全范围土壤中的蔓菁是不适宜食用的。⑵比较了两个超富集Cd的蔓菁品种与另外三种Cd超富集植物的Cd耐受能力、生长特性、光合作用和Cd富集特性等。我们的研究结果表明，与其他植物相比，蔓菁可以耐受相对较低的Cd浓度，表明蔓菁可能不适合用于严重Cd污染土壤的植物修复;蔓菁的生长特征结果表明其首先快速生长后生长缓慢;光合参数结果表明其生物量积累容易受到光照强度的影响。尽管如此，我们发现这两个蔓菁品种的Cd吸收和转运能力远高于美洲商陆和三叶鬼针草，而接近甘蓝型油菜。此外，我们的结果进一步证明这些蔓菁品种属于Cd超富集植物。同时我们发现蔓菁单株植物的Cd去除能力在早期生长阶段相对较高，但在肉质根膨大过程中轻微增加。基于这些发现，我们认为本研究中使用的蔓菁品种具有一定的土壤修复潜力，尤其适宜用于土壤污染的快速修复当中，但更多的工作仍需在实际应用之前完成。此外，蔓菁是研究植物中高Cd富集生化与分子机制的良好候选材料。⑶蔓菁对Cd具有强的富集和转运能力，低浓度Cd对蔓菁的生长造成的伤害很小，这主要与蔓菁体内的防御机制如抗氧化系统、螯合肽等物质的螯合作用和游离氨基酸等有重要关系。蔓菁Cd积累过程中抗氧化系统能有效清除过量的ROS，对蔓菁响应Cd胁迫过程中活性氧的控制和渗透调节过程等发挥重要作用;同时，蔓菁体内螯合肽等物质的螯合作用可能是降低Cd毒性的重要机制，这些物质能够有效结合Cd并把其运输到安全位置以减少对植物细胞的伤害，这可能是蔓菁具有较强抗Cd能力的重要基础;此外，蔓菁体内的游离氨基酸在响应Cd胁迫的过程中发挥重要作用，可能直接或间接地参与到Cd的解毒过程当中。⑷转录组测序结果表明，随着Cd处理浓度的增大，与对照相比，蔓菁的氨基酸合成、抗氧化系统、锌和铁转运蛋白及螯合肽等多种转运蛋白、多个与解毒酶合成相关的代谢途径等都发生了不同程度的上调，与DNA转录、DNA复制、重组和修复相关的基因表达量也有显著性差异，而植物矿质离子吸收、油菜素内酯的生物合成等代谢通路的部分基因都有下调趋势，qRT-PCR验证结果和转录组测序结果一致。也就是说，蔓菁一方面主要在重金属转运蛋白、螯合肽、游离氨基酸和多种解毒酶等的共同作用下将大量的Cd转运到地上部分，并在这个过程中解毒和将Cd区域化，并通过抗氧化系统减少体内因Cd胁迫产生的活性氧以减轻过量活性氧对机体的损伤，从而达到不对自身生长发育产生重大影响而超耐受、吸收和富集重金属Cd的目的，这可能是蔓菁响应Cd胁迫的主要机制;另一方面蔓菁主动增加遗传信息过程的复制和修复、可变剪切、新陈代谢上外来物质的降解和代谢及抗逆次生代谢产物合成等相关通路，以保证胁迫响应过程中遗传物质的正确复制和多种Cd胁迫响应蛋白的产生，以对Cd进行代谢和解毒，减少其对自身细胞的毒害，这可能也是蔓菁响应Cd胁迫的重要机制;同时当面临较大Cd毒害时，蔓菁通过减少矿质元素吸收和油菜素内脂等相关代谢通路来一方面主动规避重金属Cd以减少吸收，是蔓菁为减少重金属Cd毒害而采取的措旋，另一方面通过精减部分细胞功能和其他胁迫响应基因表达，如油菜素内脂等相关代谢通路，以减少细胞的负担，这可能是蔓菁应对Cd胁迫的重要策略。