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小麦是重要禾本科作物，总产量位居世界第二。Zn是植物必需的微量元素之一，在许多生化过程中起重要作用。随着含Zn工业“三废”的不合理排放，导致土壤中重金属Zn超常累积，使植物发生一系列生理生化功能障碍，并可通过食物链，危害人类健康。因此探讨Zn胁迫下小麦的毒害机理及抗性机制具有重要的理论和实践意义。
Cd在自然界中含量较低，但Cd污染日渐严重，不仅影响植物的生长和遗传功能，而且可以通过食物链进入人体，并在体内累积，对人产生毒害。此外，Cd2+易被许多作物吸收，其中水稻就是典型的Cd富集作物。通过基因工程技术方法，对1或2个基因进行修饰定向改良某种性状，然而这远远不能满足培育高产、优质、抗病、抗逆境等具有多个优良性状的作物品种的愿望。近年来，应用3个或3个以上的基因对农作物进行改良，这种被称为农作物改良的多基因策略成为可能。本文以易富集Cd的水稻品种粳稻“日本晴”(OryzasativaJaponicaNipponbare)为研究对象，通过分子调控的手段，进行多基因转化，以期获得低Cd累积的转基因水稻。此外，通过验证OsHMA3对Cd的转运形式，进一步探讨水稻的Cd累积机制。本研究结果主要为以下四个方面:
1.Zn胁迫下小麦抑制差减杂交文库的构建
为了从分子水平研究小麦Zn胁迫响应的机制，本论文利用抑制差减杂交(SSH)技术构建了Zn胁迫(0.5mmol/L，1mmol/L)下小麦的正反向SSH文库。从两个文库中随机挑取阳性克隆，利用通用引物T7/Sp6对阳性克隆进行进一步的验证，正反库中分别获得307和821个阳性单克隆，所得片段大小在200-1000bp之间，这些EST序列反映了Zn胁迫下响应的基因。通过BLASTn和BLASTx比对分析，在正、反库中分别筛选出221和641uniESTs，其中751个uniESTs被注释（包括正库中193个和反库中558个）。这些序列编码肽链的功能主要涉及信号转导、抗氧化防御、转录与翻译、物质运输与代谢、核糖体结构、能量代谢，以及一些未知功能。
2.S-腺苷甲硫氨酸代谢途径关键基因表达模式分析
从Zn胁迫下小麦幼苗的SSH文库中筛选出S-腺苷甲硫胺酸(SAM)代谢途径中的9个关键基因，并采用实时荧光定量PCR对其表达模式进行分析。结果表明，Zn(1mmol.L-1)胁迫下小麦的S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因(SAMS)表达呈下降趋势，而参与谷胱甘肽(GSH)和烟酰胺(NA)合成代谢的关键基因均上调表达;不同浓度Zn处理4h后，小麦SAM代谢途径中基因的快速响应存在差异。可见，Zn胁迫下，小麦SAM代谢途径中GSH和NA的合成代谢增强，GSH和NA可能参与小麦对Zn胁迫的响应及降低Zn毒害的作用。
3.水稻Cd转运相关基因的克隆及水稻多基因转化相关载体的构建
根据GenBank中水稻品种日本晴OsHMA3、OsLCD、OsLCT1的序列(cDNA)设计引物，分别以水稻（日本晴）根、叶、节点的cDNA为模板，克隆基因全长的cDNA。根据GenBank中水稻品种日本晴OsActin2启动子(DNA)序列设计引物，以水稻DNA为模板，克隆OsActin2启动子区。
利用HindⅢ、XbaⅠ及EcoRⅠ三个酶切位点将OsActin2Promoter及OsHMA3插入单子叶植物表达载体pCAMBI1301中，成功构建单子叶pCAMBI1301-OsActin2Promoter-OsHMA3过表达载体。利用NdeI、KpnI及BamHI三个酶切位点将OsLCD的正反义片段分别插入单子叶植物表达载体pRI101-ONDNA中，成功构建单子叶pRI101-ONDNA-OsLCD-RNAi的表达载体。利用BamHI及KpnⅠ两个酶切位点将OsLCT1部分片段正反义片段分别插入单子叶植物表达载体pUN1301中，成功构建pUN1301-OsLCT1-RNAi的表达载体。
4.OsHMA3参与的Cd转运机理研究
利用BamHI单个酶切位点将OsHMA3插入双子叶植物表达载体pBI121中成功构建了双子叶表达载体pBI121-OsHMA3。将pBI121-OsHMA3载体及空载体转入农杆菌菌株C58C1，以花序浸泡法转染拟南芥，得到转基因植株，通过抗生素筛选出45株抗性苗，包括OsHMA3-pBI121-WT中的20个株系、OsHMA3-pBI121-Cad1-3中的5个株系及pBI121-Cad1-3中的20个株系。对部分抗性苗进行DNA水平的分子鉴定获得21个株系的阳性苗，包括8个株系的OsHMA3-pB1121-WT、4个株系的OsHMA3-pBI121-Cad1-3及9个株系的pBI121-Cad1-3。