镉是一种非生物必需有毒的重金属元素,长期暴露于镉污染环境会威胁生物的健康。重金属镉污染已经成为近年来最受关注的环境问题之一。然而即使生态条件变得恶劣,有些微生物会因境而变,可根据外界环境的变化而提高自身对镉离子的抗性。因此深入理解及挖掘与镉抗性及吸附相关的基因,模拟微生物在镉离子条件下的分子进化,可在理论上帮助揭示微生物的抗镉机制,同时也为利用微生物在重金属修复相关应用技术的研发提供理论依据。本研究首先测定了镉离子对不同大肠杆菌亚种（BL21（DE3）,JM109,DH5α,Top10和Mach）的最小抑制浓度（Minimum inhibition concentration,MIC值）。研究结果表明大肠杆菌不同亚种对镉离子的抗性明显不同,其中以大肠杆菌BL21（DE3）对镉离子的抗性最强。因此本研究选定BL21（DE3）为研究对象。通过构建菌株BL21（DE3）基因组的Fosmid文库,并对文库在镉压力条件下进行筛选,得到了四株对镉抗性显著提高的重组菌株。通过对这些菌株的重组质粒进行测序分析,发现每个质粒中的插入片段都包含一段位于λ噬菌体DE3区的区段。我们通过对这一段区域的部分基因进行过表达并研究了其与镉抗性及镉吸附的相关性,最终发现了一个等电点较低的蛋白（CapB）。该蛋白在细胞体内可高效螯合镉离子,进而提高大肠杆菌的镉抗性。然而capB基因属于大肠杆菌的外源基因,我们更期望能够筛选到大肠杆菌自身与镉相关的基因,因此在实验室条件下利用基因组突变与筛选相结合连续进化的方法（Genome replication engineering assisted continuous evolution,GREACE）,通过加速BL21（DE3）基因组的进化速度来驯化出高抗镉的大肠杆菌突变菌株。最终得到一株高抗镉的大肠杆菌突变菌株8mM-CRAA,其对镉的MIC值为8 mM比野生型高8倍。随后利用Illumina测序平台将得到的高抗镉菌株分别进行了基因组重测序,发现与野生型菌株相比突变菌株8mM-CRAA的基因组上存在329个Single nucleotide polymorphisms（SNPs）。通过将突变体8mM-CRAA基因组上的SNPs以及受镉离子胁迫的RNAseq数据进行综合分析,筛选出一些新的可能与镉抗性相关的基因。并对不同基因分别进行过表达初步发现基因htpX（编码热激蛋白）和gor（编码谷胱甘肽还原酶）与大肠杆菌的镉抗性相关。然后再分别将基因htpX和gor进行基因敲除进一步确定了其与镉离子的抗性密切相关。分别对基因htpX和gor中V16和G249位点进行定点突变,发现这些位点的突变可以影响重组菌株对镉离子的抗性。本研究在实验室条件下成功驯化出了高抗镉的大肠杆菌突变菌株,并发现了新的与大肠杆菌镉抗性相关的基因capB,htpX和gor,其完全不同于已报道的基因zntA(编码Zn²⁺/Cd²⁺/Pd²⁺外排泵)的镉抗性机制。该研究加深了我们对于细菌抗镉机制的理解,同时也为抗镉微生物的应用研究提供了新的思路。