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镉(cadmium,Cd)是毒性最强和土壤受污染最普遍的重金属之一,土壤镉污染严重影响作物的品质和产量,并可通过食物链富集危害人类健康。对于中、轻度大面积污染的农田,培育耐镉且食用器官低积累作物品种,是有效利用自然资源和保证农产品安全生产的重要途径之一。而发掘低镉积累种质与相关基因,明确其调控机制是培育低镉积累品种的基础。本研究以构建的镉耐性与积累相关的大麦DH(doubled haploids,双单倍体)群体为材料,构建遗传图谱,检测大麦不同生育期镉耐性与积累相关的QTLs;分离克隆镉积累相关基因HvPAA1,进一步探讨镉积累与耐镉的分子机制与调控机理。主要研究结果如下:1.以耐镉性不同的大麦基因型苏引麦2号(镉敏感基因型)与萎缩不知(耐镉基因型)为亲本(苏引麦2号×萎缩不知)杂交F1经小孢子培养构建的含有108个株系的DH群体和双亲为材料,构建了包含1572个标记的遗传图谱,图谱覆盖大麦基因组1134.5 cM,分布于全部7条大麦染色体上,标记间平均距离为0.72 cM。2.以构建的含有108个株系的DH群体(苏引麦2号×萎缩不知)和双亲为材料,进行土培镉胁迫试验,检测大麦籽粒百粒重和镉及矿质元素含量的QTLs。通过对籽粒百粒重和籽粒中金属元素含量分析,共检测到5个QTLs,其中1个与籽粒Cd含量相关,命名为qKCd5H。qKCd5H位于染色体5H,LOD值为2.59,可解释10.5%的表型变异,基于BarleyMap在该QTL区间找到了 31个带有注释的基因。其中,HORVU5Hr1G118750基因的注释是Zinc finger protein 668,推测其与Cd积累相关。3.水培镉胁迫试验,以不施镉基本培养液为对照,研究大麦DH群体苗期镉耐性和积累相关的QTLs。分析苗期耐镉性相关农艺性状,检测到相关性状的QTLs 24个。检测到qShCd7H与地上部Cd浓度相关,位于染色体7H,LOD值为4.28,能解释17.0%的表型变异;qShCd7H区间距离为2.6 cM,根据Barley Map和IBCS数据库,这段2.6 cM的区域包含了约60个带有注释的基因,其中“AK355848”注释为P-type ATPase(cation/copper-transporter)。4.分别从萎缩不知、苏引麦2号和镉高积累基因型浙农8号中分离克隆了镉积累相关基因AK355848的全长。进化树分析显示,AK355848和水稻OsPAA1的亲缘关系最近,因此,将该基因命名为HvPAA1。通过比对萎缩不知、苏引麦2号和浙农8号中HvPAA1基因的CDS序列,发现三个基因型中HvPAA1基因的CDS序列及其编码的氨基酸序列完全一致。进一步比对父母本之间的全长序列后,发现了 4个位点的SNPs,且全部位于内含子序列中。组织特异性表达分析表明HvPAA1基因主要在地上部组织中表达,且镉胁迫能诱导地上部中HvPAA1基因的上调表达。亚细胞定位结果显示HvPAA1定位在细胞膜上。5.利用 BSMV-VIGS(Barley stripe mosaic virus induced gene silencing)体系,在浙农8号中成功沉默了HvPAA1基因。结果表明,与BSMV:γ(对照)植株相比,镉胁迫条件下,BSMV-VIGS诱导HvPAA1基因沉默(BSMV:HvPAA1)导致植株积累更多的Cd,植株生物学产量显著降低,表现对Cd胁迫更敏感。镉处理5d后,BSMV:HvPAA1侵染植株地上部和根系Cd含量分别比BSMV:γ对照组显著高48.3%和62.2%,且单株镉积累量显著增加。6.利用实验室之前通过水培和土培试验获得的DH群(苏引麦2号×萎缩不知)108个株系和双亲的镉含量与相关农艺和生理性状测定结果,应用1572个标记的遗传图谱重新进行QTL分析,共检测到31个QTLs。其中水培50μM Cd胁迫下,检测到6个与耐镉相关的QTLs;土培25 mg kg-1 Cd实验中,检测到25个显著的QTLs。土培实验中,苗期叶片Cd浓度相关的QTL与拔节期叶片Cd浓度相关的QTL重合,位于染色体2H的末端,通过BarleyMap数据库查找在标记区间共有32个注释基因。