重金属超积累植物主要是指一类由于长期生长在富含重金属的环境中并且其地上部对某些重金属具有超富集和超耐受能力的植物种或生态型。与普通植物相比，它们具有对重金属离子高效的吸收转运、木质部装载以及地上部积累和解毒的机制。超积累植物在重金属污染环境的植物修复技术的研究与应用中发挥着重要的作用，它们不仅可以直接用于植物修复，而且为更好地研究和发展植物修复技术提供新的思路。此外，我国耕地面积有限，很多受到重金属污染的耕地不能单独用于修复，还必须继续从事高强度的农业生产，这就需要研究粮食作物对重金属的抗性问题以及可食用部位的低积累问题，并培育相适应的农作物品种，而对超积累植物独特的超富集和超耐受机制地解析可以为农作物的定向改良提供重要的思路和基因资源。　　伴矿景天（Sedum plumbizincicola）是近期在我国境内发现的一种矿生镉(Cd)超积累植物。在不影响正常生长的情况下，其地上部分的Cd积累量可高达植物干重的4％。鉴于伴矿景天的遗传背景不明，操作手段缺乏，我们从以下2个方面展开了研究:首先，利用下一代测序技术对伴矿景天及其近亲非超积累植物植物东南景天（S.alfredii）的转录组进行检测，在极大地丰富它们基因序列信息的同时，也对它们在Cd处理情形下的关键基因和通路有所把握;其次，通过酵母的遗传互补系统等方式对抗Cd关键基因进行筛选，克隆及功能研究。　　伴矿景天和东南景天的比较转录组学研究首先利用454测序平台对Cd处理和未处理的伴矿景天的混合mRNA进行测序得到大于450M的有效数据作为参考，在此基础上，利用Illumina平台对10μM Cd处理的伴矿景天和东南景天及其它们未用Cd处理的对照植物分根和地上部进行测序，并结合454测序的结果混合拼接，得到66584个独立基因。与东南景天相比，伴矿景天受Cd诱导变化的基因较少，并且只有极少的基因在两个物种中同时受Cd诱导变化。这说明伴矿景天在转录组水平对Cd响应的机制可能发生了不同于东南景天的变化。此外，一些介导Cd的吸收（如ZIP家族基因等）、长途转运（如HMA家族基因、YSL家族基因等）以及液泡区隔化解毒的关键转运蛋白（如MTP1基因等）在伴矿景天中的表达丰度远高于东南景天，这暗示伴矿景天拥有比东南景天更为强大的Cd吸收、体内转运以及解毒的机制。有趣的是，我们还发现胞外空间包括细胞壁等相关的通路在伴矿景天中也成簇的稳定高表达，说明这些途径也可能参与了伴矿景天富集和耐受Cd的过程。对伴矿景天和东南景天的比较转录组学研究不仅对伴矿景天富集和耐受Cd的关键基因和通路有相对全面的了解。而且极大地丰富景天科植物的基因序列信息，这些对后续的研究至关重要。　　伴矿景天抗Cd基因的克隆通过构建伴矿景天的酵母表达cDNA文库，利用酵母的遗传互补系统筛选到能够极大提高酵母抗Cd能力的，pMTL基因。SpMTL属于富含半胱氨酸(Cys)的金属硫蛋白类似蛋白(metallothionein-like)家族。SpMTL定位于酵母和植物细胞的细胞质中，在酵母中表达后特异地提高了酵母对Cd的抗性。分析发现转基因酵母液泡中Cd含量显著降低，但酵母吸收的总Cd含量无显著变化。推测抗性增加是由于SpMTL在酵母细胞质中通过螯合Cd从而降低Cd对酵母的毒害。通过在在大肠杆菌中表达SpMTL，分析了SpMTL与Cd结合的化学计量学比例，结果表明一分子的SpMTL蛋白能结合约4分子的Cd。转录组测序以及qRT-PCR表明，SpMTL是伴矿景天根部表达丰度最高的基因，而在地上部的表达丰度却很低。模拟SpMTL在伴矿景天中的表达模式，在拟南芥根部中异源表达SpMTL后能提高对Cd的抗性，但是延迟了Cd在向地上部的长途转运，推测可能是拟南芥中缺少与SpMTL-Cd螯合物作用的“配套设施”，导致SpMTL-Cd螯合物在根部细胞的滞留从而延迟了Cd向地上部的转运。有趣的是，SpMTL比其在东南景天中的同源蛋白SaMTL多3个Cys，并且SaMTL介导酵母抗Cd的能力以及结合Cd的数目都小于SpMTL。此外，SaMTL的表达丰度也远低于SpMTL。因此，我们推测更强Cd结合能力和更高表达丰度的SpMTL可能在伴矿景天根部细胞的胞质中通过螯合Cd，降低Cd的毒害。，并且SpMTL与Cd的螯合可能也减少了Cd向根部细胞液泡中的转运从而影响Cd向地上部的长途转运。　　此外，由于植物螯合肽(phytochelatins，PCs)的合成会消耗细胞中大量谷胱甘肽，而重金属超积累植物长期生长在高浓度的重金属环境中，使得经由PCs解毒途径来应对重金属毒害代价高昂。为了回答经典的植物螯合肽(phytochelatins，PCs)解毒途径在超积累植物伴矿景天耐受Cd的过程中的贡献如何，我们根据转录组测序的结果克隆了伴矿景天植物螯合肽合酶(phytochelatin synthase，PCS)基因 SpPCS。该基因在裂殖酵母和拟南芥中表达后都具有PCS活性，而且能够互补它们的PCs缺失突变体的Cd敏感表型。SpPCS在伴矿景天中的表达受到高浓度Cd处理的诱导。与东南景天相比，虽然伴矿景天地上部PCs与Cd的摩尔比远低于东南景天，但是在高浓度Cd处理时PCs含量以及PCs与Cd的摩尔比急剧增加。我们推测在伴矿景天应对Cd毒害的过程中，PCs起到一定的作用，并且在高浓度Cd胁迫时地上部PCs依赖的解毒作用有所加强。