我国是一个农业大国,水资源严重短缺,干旱土地面积呈每年递增的趋势。水稻是主要粮食作物之一,其产量占世界粮食总产量的一半以上。近几年我国水稻主要栽培区,特别是长江流域,经常发生伏旱,严重影响了水稻的生产。而水稻生殖发育阶段是最容易受环境因素影响的环节,水稻生殖发育主要包括花器官的发育、雄蕊细胞的分裂和分化、减数分裂、花粉发育、受精过程和灌浆等。如孕穗期遭遇干旱,水稻产量会降低一半以上。前期研究发现,生殖期干旱会导致花粉不育,但只有致命的干旱才会影响雌配子体的育性。本实验室对缺水条件下水稻花发育进行了初步分析,特别关注了干旱对花粉发育的影响。为了寻找能改善干旱条件下水稻产量的基因,并探索生殖期干旱诱导基因在调控干旱条件下水稻发育的作用机理,从干旱胁迫水稻花的芯片数据中筛选了13个生殖期干旱响应基因进行鉴定、分析和转基因抗逆表型观察,从中发现了两个在水稻营养期和生殖期都具有抗干旱作用的基因：OsDIL (Oryza sativa Drought-Induced LTP)基因和OsFID (Oryza sativa Functionally Improved Drought-tolerance)基因。通过形态学、解剖学、生理生化和分子生物学等手段分析,探讨这些基因在抗旱中的作用,具体结果如下：一、生殖期干旱诱导基因的鉴定和转基因水稻的获得从水稻花芯片结果中,筛选了13个干旱响应的候选基因,分别构建了它们的过表达和RNAi载体,通过农杆菌介导法转化到水稻日本晴中,获得了多个转基因水稻株系；对转基因水稻进行胁迫处理,通过表型分析,筛选到两个对水稻干旱胁迫耐受性有改善作用的基因：OsFID和OsDIL。二、过表达OsFID基因能够改善水稻生殖期和营养期的抗旱能力OsFID基因在水稻生殖期和营养期都受干旱诱导上调表达。OsFID基因主要在水稻根、叶和种子中表达,特别是根和叶片维管组织中表达最高；虽然在花中表达较低,但干旱诱导迅速上调表达,且主要在水稻花药绒毡层和维管组织中表达,推测可能与雄性器官发育有关。OsFID基因能改善水稻营养期和生殖期的抗旱能力；生殖期遭遇干旱,过表达OsFID基因水稻能保持水稻花粉育性并稳定水稻产量,进一步分析发现产量的提高主要是通过改善结实率,而不是增加千粒重来实现。进一步的细胞学分析发现,过表达OsFID基因降低了干旱条件下水稻花药缺陷的比例。OsFID基因编码R-R类型的MYB-like转录因子,定位在细胞核中。转录组分析发现,64个基因在干旱条件下受OsFID基因的激活表达,这些基因参与多个生物过程,如胁迫响应、细胞过程和代谢过程,其编码的蛋白具有催化活性、结合和抗氧化活性,推测OsFID主要通过参与调控氧化还原相关基因的表达,来改善水稻花的育性。在OsFID激活的基因中还包括LTP(Lipid Transfer Protein)基因、水通道蛋白基因和转运蛋白基因等,这些基因的提高表达为干旱条件下改善水稻花药发育提供了重要的养分和水分,能够改善水稻花药在逆境条件下的发育。以OsFID为诱饵从水稻花药cDNA表达文库中筛选与之相互作用的蛋白,发现32个可能与OsFID相互作用的蛋白,主要包括氧化还原相关蛋白和蛋白质降解相关蛋白,推测OsFID蛋白主要参与氧化还原和蛋白降解过程。三、过表达OsDIL基因能改善水稻生殖期和营养期抗旱能力OsDIL基因编码脂质转移蛋白(LTP),在生殖期和营养期受干旱等胁迫诱导;过表达OsDIL能提高水稻营养期和生殖期的干旱耐受能力。干旱条件下,OsDIL基因过表达株系的叶片和植株存活率较野生型高,而卷叶比例和缺陷花药比例较野生型低,从而使其表现出更好的抗旱能力。过表达OsFID基因能够提高POD等基因的表达,从而减少干旱导致的ROS(Reactive Oxygen Species)损伤;增加ABA合成相关基因和降低ABA降解相关基因的表达来增加水稻对干旱的耐受能力;另外,过表达OsFID水稻还提高了干旱条件下氧化还原和脂质转运相关基因的表达,从而减轻干旱带来的对水稻花药发育的影响。以上结果充分表明,OsFID和OsDIL基因在水稻抗旱,特别是生殖期的抗旱中起重要作用,可成为水稻节水稳产的候选基因。同时本研究涉及的生殖期抗逆基因调控网络的研究也丰富了作物生殖期抗逆性研究的理论体系,为抗逆种质的开发提供了重要的理论和实践参考。