镉、砷是广泛存在于环境中的有毒微量元素，长期暴露于镉砷污染的环境会对植物、动物及人类等有机生物体的健康产生严重危害。在自然环境中含砷量较高的地区和有工业的发展导致的镉、砷污染地区，当地区民由于食用镉砷污染的农产品导致了很多疾病的发生，其中日本的镉污染和孟加拉国的砷污染给当地区民带来的危害已经引起政府及联合国的关注。如何治理土壤中的镉或砷污染，降低当地农作物中的镉或砷的含量是一项亟待解决的问题。作为亚洲的主要粮食作物之一的水稻，对其镉、砷污染的控制也是关乎人体健康的十分重要的问题。通过筛选或培养低积累镉砷的水稻品种的研究是行之有效的控制镉砷经食物链威胁人体健康的主要途径之一。而要培养具有低积累镉砷功能的水稻品种，就需要对水稻积累镉砷的机理及控制基因进行深入研究。　　 本论文通过对不同水稻基因型间镉砷的吸收转运差异及相关解毒生理生化机制研究，同时结合分子遗传学的方法，在温室盆栽试验条件下，将水稻中控制不同器官镉砷含量的基因定位到分子图谱的一定分子标记区间内，从而初步确定了这些基因在基因组中的位置。　　 (1)水稻对镉、砷吸收转运的基因型间差异　　 通过溶液培养试验，对8种水稻试验材料的镉、砷吸收转运差异的研究发现不同基因型对水稻吸收转运的镉、砷含量存在差异。影响镉积累差异的主要因素是根部向地上部的转运能力不同；影响砷积累的差异是由基因型根系的不同吸收能力引起的。　　 (2)水稻对镉、砷胁迫解毒机制的研究　　 水稻的细胞壁对镉离子具有较强的固定能力，其镉含量为地上部总镉含量的21～44％，占根系总含量25～59％，但对于细胞壁中木质素与纤维素含量不同的基因型bcl-2及其野生型双科早的镉吸收积累试验发现，二者对镉的固定能力没有明显差异。这说明细胞壁对镉固定的主要活性部位不是存在于木质素和纤维素中。　　 植物细胞内的非蛋白巯基在抗镉砷胁迫方面具有非常重要的作用。存在于根系细胞内的植物螯合肽可以螯合二价镉或三价砷离子，其化合物在ABC转运子的作用下被运入液泡，可以减少自由镉或砷(III)离子对原生质的毒害，同时区隔化于根系液泡中的镉砷也减少了根系向地上部运输的量，进而使作物籽粒中的镉砷含量也相应减少。水稻根系内非蛋白巯基含量在镉或砷的胁迫下显著增加，而同为50μM浓度胁迫的镉(II)或砷(V)处理营养液中，生长6天后，水稻根系内产生的植物螯合肽等非蛋白巯基的含量及形态不同。50μM砷处理下，水稻根系的NPT含量显著高于50μM镉处理下的含量；镉胁迫的水稻根系中的植物螯合肽有PC2、PC3和PC4三种形态，而砷处理的水稻根系内的植物螯合肽的形态未检测到PC4。同时，从水稻根系中克隆得到一条植物螯合肽合成酶基因。通过对植物螯合肽形态及其合成酶的研究可以进一步了解植物抗镉砷的机制，增加对水稻低积累镉砷能力的理解。　　 (3)水稻控制镉砷污染的数量性状位点定位　　 水稻不同基因型间镉砷含量的差异也说明控制水稻镉砷污染的遗传性状是数量性状。本研究所用DH群体是由籼稻TN1和粳稻春江06(CJ-06)杂交，经F1代花药培养及染色体加倍产生的94个稳定株系，同时该群体具有一个平均图距为9.4 cM的高密度分子标记连锁遗传图谱。在温室盆栽条件下，与砷含量相关的数量性状位点共有10个(LOD>2.0)；与镉含量相关的数量性状位点检测到3个(LOD>2.0)。通过与水稻基因组图谱对比发现了一个位于质体中的ATP硫酸化酶，其位于第3号染色体上AsR1所在分子标记区间内，参与植物细胞内的硫同化过程。已有的文献中报道指出，该酶在镉胁迫下其表达量增加，来促进植物螯合肽的形成，因此也证明了植物螯合肽在水稻抗镉砷胁迫方面的重要作用。同时，与控制镉相关的位于第3和8号染色体上的位点，与日本学者在2005年定位到的不淹水稻田的糙米中的镉含量数量性状位点存在染色体片段上的部分重合。　　 总之，本试验研究结果表明不同基因型水稻在对镉、砷的吸收积累方面存在差异，说明筛选低积累品种的具有可行性。通过分子遗传学对控制镉砷水稻污染的基因进行了遗传分析和性状位点定位，则为选育和培养低积累镉、砷的水稻品种工作打下理论基础。