铁硫蛋白是一类以铁硫簇为辅因子的蛋白，普遍存在于植物、动物及微生物。它参与细胞新陈代谢的各个过程，包括光合作用、呼吸作用、氨基酸嘌呤代谢、DNA的合成和修复及基因表达的转录调控等过程。在模式植物拟南芥的研究中，铁硫簇的合成共需要43个基因共同参与完成。根据文献报道，模式植物拟南芥的铁硫合成功能研究基本完成，但是目前其他40个已测序物种的铁硫蛋白合成基因大多未见报道;同时针对中国的主要粮食作物—水稻，还未发现关于铁硫簇的研究报道，而且在田间水稻面临不同的非生物胁迫后，这些铁硫合成基因是否受到响应，文献也未有报道。本文立足于以上三个问题，首先采用生物信息学比对的方法，找出其余物种的铁硫蛋白合成基因情况，其次，主要选择水稻作为研究对象，研究了不同重金属、不同铁浓度及氧化胁迫处理下，水稻的铁硫蛋白合成基因的响应、铁硫蛋白活性的变化、铁浓度的变化及叶绿素含量的变化，旨在探讨非生物胁迫处理下对铁硫合成的影响。主要结果如下:　　1、41个已测序物种的铁硫合成基因的比对分析以模式植物拟南芥的43个铁硫簇合成基因作为对照，比对出其他40个已测序物种的基因。结果发现铁硫合成基因在进化上存在一定的规律，同时以铁硫合成保守基因NFS2建立系统进化树，发现与植物（藻类、苔藓植物、蕨类植物、单子叶植物、双子叶植物）的进化基本一致。大部分铁硫合成基因的进化是保守的，在各个生物均存在，甚至有些基因与拟南芥相比，两者的相似性达60％以上，除了个别家族性的基因:(1)质体:SUFE1在3种低等藻类是呈不完整状态，其SUFE结构域和BolA结构域是分开的，在胶球藻后才开始时完整状态;SUFA的结构域与线粒体的ISA一样，比对出的蛋白与ISA更相似，因此它在前三种藻类比对的蛋白相似性低;NFU1在进化上也有一定的规律，在第一个藻类中是短序列，后在蛋白末端连上一个GIY-YIG结构域;(2)线粒体:ISU2和ISU3在早期不存在，在苔藓时期才出现，推断这两个蛋白可能都是有ISU1复制而来;ISA2在单子叶植物才正式出现，与ISA1相似性较高，可能是由ISA1复制而来;NFU5在双子叶植物耧斗菜出现，ADX2在蕨类植物出现，推测分别从NFU4和ADX1进化而来;HSCA1在双子叶植物呈现完整状态;(3)细胞质:大多数蛋白是由原始蛋白进化，但MMS19有着明显的进化规律，早期不存在，在蕨类才出现但携带一个核糖酶，可能与MMS19本身的功能相关。总之，铁硫簇合成基因在进化上个别基因存在一定的规律，但整体上是高度保守的。　　2、不同非生物胁迫处理下对铁硫合成基因表达的影响根据拟南芥的已报道过的43个铁硫簇合成基因，通过生物信息学比对方法在NCBI比对出水稻的41个基因，与拟南芥相比，水稻少了叶绿体的SUFE2和线粒体的ISU3、NFU5。对水稻进行重金属铅、镉、铝、低高铁处理及氧化胁迫处理，结果表明:铅处理后对3个细胞器铁硫蛋白合成基因产生了影响，而且主要是对根中的基因具有抑制作用，铅处理共使7个基因的表达产生了下调作用，除了对叶中的NFS2，其余的都是对根的基因有影响;镉处理使叶中两个基因的表达下调，但是在根中，镉处理都是促进基因上调表达的;铝处理主要使叶绿体和线粒体的13个基因发生了变化，叶的铁硫蛋白合成基因总体呈现基因表达上调的趋势，而根中都是下调;缺铁中共11个基因受到影响，其中9个基因受到上调，高铁处理中，主要表现为根中的基因受到了上调表达，没有基因表现为受抑制;氧化胁迫处理主要是影响水稻的根，12个基因在根中都上调。总之，6个非生物胁迫处理对水稻的铁硫合成基因都有一定的影响，可能这些基因与水稻的抗逆性存在相关性。　　3、不同非生物胁迫处理下对铁硫蛋白活性的影响在对水稻进行非生物胁迫处理后，分别测定了位于叶绿体、线粒体和细胞质的铁硫蛋白活性:亚硝酸还原酶、琥珀酸脱氢酶及顺乌头酸酶。结果表明:铅处理后，琥珀酸脱氢酶与顺乌头酸酶的活性没有显著变化;镉处理后，亚硝酸还原酶与顺乌头酸酶的活性显著增加，琥珀酸脱氢酶活性没有显著变化;铝处理后，琥珀酸脱氢酶与顺乌头酸酶的活性没有显著变化;缺铁处理是亚硝酸还原酶活性极显著增加，琥珀酸脱氢酶与顺乌头酸酶的活性没有显著变化;高铁处理使琥珀酸脱氢酶活性增加，亚硝酸还原酶与顺乌头酸酶活性没有显著变化;氧化胁迫处理使亚硝酸还原酶与琥珀酸脱氢酶活性显著增加，顺乌头酸酶活性没有显著变化。以上数据表明，非生物胁迫处理可能会改变一些铁硫蛋白的活性。　　4、不同非生物胁迫处理下对植株铁浓度的影响对水稻进行非生物胁迫处理一段时间，对植株地上部分和地下部分分别收样，应用ICP-MS的方法进行铁浓度的测定。试验结果表明:铅处理后根的铁浓度下降了约9倍，有可能是因为铅沉淀吸附在根上，形成铅膜，造成铁吸收的下降;镉处理叶中铁浓度略微上升，根的铁浓度上升了1.5倍;金属铝处理后，根中的铁浓度也显著下降;对低铁而言，叶与根的铁浓度都下降，因为水稻种子中的铁可能只够其萌发利用，苗期生长所需要的铁元素外界无法提供，造成植株缺铁;在高铁处理后，水稻叶、根铁含量没有显著变化，说明水稻在一定的铁含量范围内，本身也具有一定的吸铁限度，不会造成铁中毒现象。以上数据可以表明，不同的非生物胁迫处理对水稻地上部分和地下部分的铁浓度产生影响，可能是由于金属之间在植物吸收过程中存在拮抗或促进的作用。　　5、不同非生物胁迫处理下对植株叶绿体含量的影响对水稻进行非生物胁迫处理后，不同的处理会出现不同的表型，由于叶绿素的合成与铁密切相关，我们采用分光光度计的方法进行叶绿素含量的测定。结果表明:重金属处理中铅和铝处理对水稻叶绿素没有显著的影响，但是镉处理导致最严重的表型，出现叶片发黄，镉处理叶绿素显著下降;在缺铁情况下，叶绿素含量下降是最明显的，大约下降了4.4倍，而高铁处理下，叶绿素略微增加，这进一步表明叶绿素的合成与铁成正相关关系。氧化胁迫没有造成植物的铁浓度下降。以上数据表明:叶绿素含量的高低与铁有相关关系。　　本研究结果表明，除了12个铁硫合成基因在进化上存在一定的规律外，其余基因在41个已测序物种的进化上基本上是保守的，进化关系与绿色植物的进化关系基本是一致的;通过与模式植物拟南芥的生物信息比对出的水稻的铁硫合成基因高度保守，发现3个基因存在差异。在对水稻进行重金属处理、低高铁处理及氧化胁迫处理后，铁硫合成基因表现出了一定的诱导、抑制规律;铁硫蛋白的活性出现了增加或不变的结果，与基因的表达不存在明显的矛盾关系;植株地上部分与地下部分的铁含量出现了增加或减少的结果;叶绿素含量的变化与铁浓度成正相关关系。以上结果表明，铁硫合成基因在进化上是高度保守，这些基因在水稻物种上表现的作用可能与农业生产紧密相连，为植物的抗逆性、遗传育种上提供候选基因。