Ca²⁺是植物生长发育所必需的一种矿质元素,也是植物细胞中最重要的第二信使之一。研究表明,植物遭受非生物逆境胁迫时,细胞内Ca²⁺浓度瞬间增加,在时空、振幅以及频率上发生特异变化,产生Ca²⁺指纹信号（calcium signature）。Ca²⁺信号被细胞内Ca²⁺感受器蛋白（CaMs/CMLs、CDPKs、CBLs/CIPKs）识别、解码,并将其传递,从而诱导下响应基因的表达,引起植物体内一系列的生理生化变化。最后,使植物适应外界逆境。目前,已发现CaMs/CMLs蛋白家族参与了植物生长发育和耐非生物逆境（冷害、热害、干旱与盐害）中的调控功能。因此,有必要阐明这些蛋白在植物非生物逆境信号转导中的调控机制,为增强植物耐逆性提供理论依据。水稻是我国三大粮食作物之一,也是一种起源于热带亚热带、对盐害中度敏感和冷胁迫敏感的喜温型禾本科作物。盐害和低温是影响水稻生长发育、产量和品质的主要非生生物逆境因子。开展水稻耐盐性和耐冷性信号传导途径相关基因的挖掘与功能鉴定,探讨水稻耐盐性和抗冷性的分子生理和遗传机制,对从生理、栽培和分子育种途径提高水稻的耐盐性和耐冷害具有重要的理论和应用意义。本论文主要分为以下两部分:第一部分,研究了水稻钙调素OsCaM1（rice calmodulin 1）在水稻耐盐性中的功能和调控机制,提出了一条参与水稻盐胁迫信号转导OsCaM1-OsCCaMK-OsMKK1/6途径。通过真核生物中的CaM氨基酸序列比对,发现了4个保守的磷酸化位点T80、S82、S102和T118。EMSA和蛋白互作实验证明,S102和T118影响了OsCaM1在体外与Ca²⁺的结合,但不影响OsCaM1与靶蛋白OsCCaMK在体内外条件下的互作;酵母双杂交和BiFC均证实,OsCCaMK分别与OsMKK1和OsMKK6特异性互作;体外磷酸化实验证明,OsMKK1可以磷酸化OsCCaMK,而OsCCaMK可以磷酸化OsMKK6。因此,水稻可能存在一条OsCaM1-OsCCaMK-OsMKK1/6途径。qRT-PCR分析表明,Ca²⁺信号和MAPK信号途径在响应ABA信号中存在“交谈”,Ca²⁺/CaM介导了ABA对OsCCaMK、OsMKK1、OsMKK6及其下游靶基因OsMPK3、OsMPK4和OsMPK6的转录调控。OsCaM1-1超表达和反义抑制表达转基因水稻植株在盐胁迫下表型鉴定表明,OsCaM1-1超表达转基因株系比反义抑制表达转基因株系表现更强的耐盐性;同时,施用外源Ca²⁺促进水稻幼芽侧根的生长,增强了水稻耐盐性,诱导侧根发育相关基因表达水平差异明显。第二部分,利用遗传学和生物化学的方法,鉴定了水稻类钙调蛋白OsCML16（Calmodulin-like protein 16）的互作蛋白及其冷胁迫诱导表达。结果表明,OsCML16基因受4℃和12℃胁迫诱导表达明显;体外蛋白实验证明,OsCML16蛋白具有体外Ca²⁺与Mg²⁺结合特性。但是,Ca²⁺和Mg²⁺诱导OsCML16构象变化的程度不同;GUS组织染色表明,OsCML16主要在幼苗的叶和根系、孕穗期的颖壳、成熟期的茎节中表达。同时,创建了OsCML16过表达和RNAi抑制表达转基因植株并获得了纯合株系。水稻原生质体亚细胞定位结果表明,OsCML16主要位于细胞质和细胞核中;以OsCML16为诱饵蛋白,大规模筛选了水稻幼苗低温的酵母双杂交cDNA文库,获得了9个与其互作的候选蛋白,包含2个激酶蛋白（Y2、Y12）、2个转录因子（Y26、Y336）及5个功能蛋白（Y1、Y14、Y64、Y304、Y419）,点对点酵母双杂交和BiFC鉴定这些候选蛋白与OsCML16的真实性互作。qRT-PCR分析表明,6个互作候选基因均受4℃和12℃的诱导表达。