在农业生产上,土壤作为植物生长所需的载体,不断的与外界环境进行物质和能量的交流。然而,土壤-植物系统在为人类提供强大生产力的同时,土壤也承受着人类活动带来的各种污染。重金属Cd由于生物高毒性及半衰期长等特点,容易通过食物链富集威胁人类的健康。水稻,作为全世界一半人口的主食,同样遭受到Cd污染的威胁。众所周知,硅是地壳中仅次于氧的第二丰富的元素,大部分的主要作物都是Si累积者。而且Si在植物的抗逆境胁迫上具有重要作用。目前,控制Si吸收的基因Lsi1已被识别。本研究以野生型Lemont水稻及Lsi1过量表达及干扰的转基因Lemont水稻为研究材料,通过水稻根系表达谱及Label-free蛋白组分析揭示三个株系水稻在分子水平上的差异,同时通过共质体和质外体转运系统分析三个株系对Cd的转运情况,再进一步通过吸收动力学曲线分析各株系水稻根系对Cd的吸收能力、五种激素的调控差异及抗氧化系统的保护能力及各部位Cd的累积能力。最后土壤盆栽种植该三个株系,进一步分析Cd胁迫下,这三个株系在产量及籽粒Cd含量的差异,研究结果如下:1、当Cd胁迫与Si处理相结合时,三个株系水稻根系的DGE分析显示,与WT相比较,Lsi1-OE line与Lsi1-RNAi line分别检测到1010和1561个差异表达的基因,说明Lsi1基因遗传改造的转基因水稻在Cd胁迫下,具有不同的基因表达调节的响应过程。qRT-PCR分析显示,Cd、Si处理对Cd胁迫诱导的相关基因的表达具有显著的调节作用,说明Lsi1遗传改造的转基因株系具有比WT更高或更低的Cd耐性。Lsi1-OE line和WT之间的差异基因主要富集在生物学过程中的逆境反应、刺激反应、防御反应、氧化还原的过程、抗氧化反应、盐胁迫及渗透胁迫响应以及激素等生物学过程,以及分子功能中的离子结合、催化活性、酶（过氧化物酶及氧化还原酶）及抗氧化物的活性、腺嘌呤核苷酸结合及腺嘌呤核糖核苷酸结合、ADP结合、四吡咯化合物结合及血红素结合。Lsi1-RNAi line与WT之间的差异基因富集在生物过程中的除逆境反应、刺激反应、防御反应、氧化还原过程、抗氧化反应、盐胁迫及渗透胁迫响应外,还涉及到化学响应、生物及非生物刺激响应,伤害响应等,分子功能包括离子结合、酶（过氧化物酶及氧化还原酶）及抗氧化物的活性、ADP结合、四吡咯化合物结合及血红素结合以及内肽酶抑制剂和调节剂的活性等。Lsi1-OE line与Lsi1-RNAi line应答Cd胁迫的过程具有相同也有不同的过程。Lsi1增强Lsi1-OE line耐Cd胁迫的响应的过程是由这些差异表达的基因协调表达的结果。2、通过Label-free定量蛋白质组学分析可知,在差异倍数大于2为上调表达,小于0.5为下调表达的筛选标准下,与WT对比,Lsi1-OE line具有1 1个差异蛋白上调,55个蛋白下调,Lsi1-RNAi line则有21个蛋白上调,8个蛋白下调表达。根据GO分类系统对差异蛋白进行功能分类,Lsi1-OE line主要涉及苏氨酸型蛋白酶活性、苏氨酸肽链内切酶活性、NAD结合、翻译因子活性、苹果酸脱氢酶活性等,而Lsi1-RNAi line主要包括结构分子活性、抗氧化活性、过氧化物酶活性、氧化还原酶活性、S-腺苷甲硫氨酸依赖型甲基转移酶等。3、从水稻根系共质体和质外体分析结果可知,水稻总Cd的增加,伴随着质外体和共质体Cd含量的增加。无论是质外体或是共质体,Cd浓度大小顺序排列为Lsi1-RNAi line>WT>Lsi1-OE line,并且数据分析发现,水稻吸收的Cd大部分(（80%以上）均分布在共质体上。进一步进行外源施Si处理,结果显示,Si明显降低质外体和共质体Cd浓度,尤其是Si的添加对Lsi1-OE line植株质外体和共质体总Cd的浓度降低幅度最大,占44.62%,说明Lsi1过量表达能调节并促进质外体和共质体总Cd的降低。4、在水培条件下,对Lemont水稻、Lsi1基因过量表达及干扰水稻根系镉的吸收动力学特征以及Si对三种不同株系水稻镉吸收动力学参数的影响进行了研究。结果显示:未加硅处理时,过量表达水稻与野生型水稻Km值无显著差异,但是干扰水稻显著高于野生型水稻,对三者的Vmax比较发现,过量表达表现最低,干扰最高。外源的施硅,降低Km及Vmax,并且三种水稻Km、Vmax相互间差异达显著水平,说明通过Lsi1过量表达及外源施硅可以减缓水稻根系镉吸收特性。进一步通过50μM镉处理,结合加硅及不加硅的处理,考察水稻叶绿素含量、干物质重以及五种常见激素的变化情况,结果显示,镉引起叶绿素含量及干物质下降,IAA、GA3及JA也相应的降低,SA及ABA升高。同一镉胁迫并加硅处理时,叶绿素含量、干物质、IAA、GA3及JA表现出增加的趋势,而SA及ABA表现出下降趋势。对比三个株系水稻叶绿素及干物质指标,无论加硅与否,发现镉对过量表达的抑制程度比野生型小,同时,IAA、GA3及JA含量表现最高,SA与ABA表现最低,而干扰水稻表现出相反的趋势,由此推测,Lsi1参与调控水稻抗镉毒害的过程。5、水培条件下,通过外源添加不同浓度的Cd（0、50 μM、100 μM）及不同浓度的Si（0、1.5 mM、2.0 mM）处理水稻,结果显示,各水稻对镉的吸收能力为:Lsil-RNAiline水稻最强,Lsi1-OE line最弱,Lemont居中。各部位Cd的浓度梯度为:根>茎>叶。施硅能显著降低水稻根、茎、叶中镉的浓度,暗示外界硅能抑制根对镉的吸收,同时限制水稻体内镉从根向地上部运输。不加硅时,三品种间差异不显著,但加硅时,根、茎、叶三部位的硅浓度表现为:Lsi1-OE line>WT（Lemont）>Lsi1-RNAi line,这进一步体现了控制硅吸收基因对硅的吸收能力。当Lsi1过表达时,Lsil过量表达的转基因Lemont水稻对硅的吸收能力提高,当Lsi1被干扰时,其对硅吸收能力下降。通过镉、硅同时处理发现,高浓度的镉同样对植株吸收硅能力造成影响,高浓度的镉限制了植株对硅的吸收。植株在Cd毒害下,容易引起氧化胁迫,通过SOD、POD、CAT及MDA测定发现,Lsi1-OE line具有较高的SOD、POD、CAT活性,以及较低的MDA含量,进一步的加Si处理,SOD、POD、CAT活性增加表达,说明Lsi1过量表达及加硅处理均可以保护水稻体内抗氧化酶系统免于遭受高浓度的镉对氧化系统的破坏,进而缓解高浓度镉对水稻产生的毒害作用。6、设置了三个Cd浓度及Si浓度处理通过土壤盆栽种植试验对灌浆期三个不同株系水稻的叶绿素、光合速率以及成熟期水稻产量及其对Cd的抗性的进行了观察,用于进一步说明Lsi1介导Si缓解Cd毒害对全生育期水稻的影响。结果显示,成熟期,高浓度Cd胁迫下,Si显著降低Cd对水稻的毒性,而且,Lsi1过量表达的转基因水稻Si缓解Cd毒性的效果比WT和Lsi1-RNAi line明显,即Lsi1-OE line 比 WT含有较高的Si及较少的Cd,而Lsii1-RNAi line却相反。同时,土壤存在的Cd也降低水稻对Si的吸收,暗示两种元素的存在显著的互作关系。此外,Cd胁迫还显著降低灌浆期叶绿素含量和光合速率,导致产量的降低。Lsi1-OE line因具有较高的叶绿素含量和光合作用而维持较高的的光合同化物转运速率而具有较高的产量。然而,WT和Lsi1-RNAi line的产量却未有显著性差别,可能是由于全生育期持续时间长导致的对Lsi1-RNAi line的补偿效应。暗示土壤中的Si可以通过提高或抑制Lsi1的表达来达到改变水稻对Cd的抗性,进而显著影响水稻产量。由此可知,Lsi1介导硅在减轻镉毒害机制方面发挥重要的作用,其可能参与到植物和重金属相互作用体系的代谢过程,经过一系列生理生化反应和信号传导,激活植物防卫基因,诱导植株系统抗重金属活性的表达,从而达到抑制重金属Cd的毒害作用。