水稻(Oryza sativa L.)是世界上主要的粮食作物之一,高温、寒冷和干旱等极端气候严重影响人们的粮食安全。淡水资源短缺、农业灌溉用水利用率低等问题制约着水稻的生产,干旱成为世界农业面临的最大问题之一。发达的根系有利于植物对水分的吸收和利用,因此增大植株的根系密度和深度在水稻避旱机制中起到关键性的作用。Os NMCP1是本室前期芯片分析中发现的一个受干旱诱导表达基因,本研究通过对其超量表达植株和突变体植株进行干旱表型和根系表型的考察发现Os NMCP1正调控水稻植株根系生长和抗旱性,并对Os NMCP1蛋白在调控根系生长和抗旱性的功能进行深入研究。类核纤层蛋白(NMCPs)是植物中的核纤层类似蛋白,研究表明动物中的核纤层蛋白位于细胞核质外围。我们通过转化水稻原生质体瞬时表达Os NMCP1蛋白发现其定位于细胞核中,表明Os NMCP1是一个细胞核蛋白。我们将Os NMCP1融合GFP产生的稳定表达植株,进行根尖免疫荧光高分辨率观察,发现Os NMCP1位于细胞核质外围。说明Os NMCP1是一个位于细胞核质外围的类核纤层蛋白。Os NMCP1的表达量受到干旱处理和ABA处理诱导上升,超量表达Os NMCP1可以提高水稻植株在苗期和生殖生长期的抗旱性,osnmcp1突变体植株在苗期和生殖生长期表现为干旱敏感的表型,表明Os NMCP1在水稻干旱应答中可能起到正调控的作用。Os NMCP1超量表达植株相对于野生型植株具有更长的根长和更大的根体积,并且这种差异在干旱胁迫后增大,而osnmcp1突变体植株相对于野生型植株具有与超量表达植株相反的表型。另外,Os NMCP1的表达量在根尖伸长区细胞中最高,并且发现Os NMCP1影响根尖细胞的分裂活性。这些结果说明,Os NMCP1在参与植株的干旱应答和调控植株根系的生长中起到十分重要的作用。动物中核纤层蛋白具有广泛的核功能,参与染色质相互作用、信号转导、基因调控、基因组稳定性和细胞分化等过程。为了研究Os NMCP1在基因表达调控和染色质调控过程中的影响,我们通过染色质可及性实验测序(Assay for Transposase-Accessible Chromatin Sequencing,ATAC-seq)和转录组测序(RNA Sequencing,RNA-seq)对Os NMCP1超量表达植株和ZH11野生型植株在正常和干旱条件下进行分析。通过分析差异的染色质可及性区域(differentially accessible regions,DARs),发现在Os NMCP1超量表达植株中,正常和干旱条件下分别有8791个和12472个染色质可及性增加的DARs,远多于染色质可及性下降的1524个和2511个DARs。并且染色质可及性增加的peak主要分布于基因的转录起始位点(transcription start sites,TSS)附近,而染色质可及性下降的peak并不具有这种分布规律,表明Os NMCP1超量表达后主要引起转录起始区域染色质开放性的增加。将染色质可及性变化的区域对应的基因称为染色质可及性变化的基因(differentially accessible genes,DAGs),正常和干旱条件下染色质可及性增加的DAGs分别有8934和8641个。我们分析转录组测序的差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs),发现正常条件下上调表达的DEGs有728个,下调表达的DEGs有434个;干旱条件下有3042个上调表达的DEGs,有2696个下调表达的DEGs。正常和干旱条件下分别有362个和619个上调的DEGs其对应的染色质可及性增加,我们将其称为启动子染色质可及性增加且基因表达量上升的基因(promoter-accessibility and expression increased genes,PEIG)。在正常和干旱下的PEIGs(NPEIGs和DPEIGs)分别占所有上调基因的49.93%和20.35%。将PEIG和DEG进行基因聚类(gene ontology,GO)分析,富集程度最高的是“逆境响应”相关类型。我们对PEIG进行基因注释并按功能分类,发现其中转录因子占比最高,正常和干旱条件下分别为17.4%和7.9%,这些转录因子包括Os NAC10,Os ERF48,SNAC1和Osb ZIP23等,研究报道这些基因正调控水稻抗旱并且与根系生长发育相关。结合Os NAC10和Os ERF48已经发表的转录组数据分析,发现在Os NMCP1上调表达的728个基因中,有298(40.93%)个基因受Os NAC10上调表达,有103(14.15%)个基因受Os ERF48上调表达。这些结果表明Os NMCP1是染色质可及性的正向调控因子,通过改变启动子区域的可及性调控基因的表达,同时还能通过调控转录因子进一步调控下游基因的表达。由于Os NMCP1调控染色质的可及性,我们将Os NMCP1与水稻中的染色质重塑因子在酵母中进行点对点互作实验,鉴定到Os NMCP1的互作蛋白为染色质重塑复合体成员Os SWI3C,并且用双分子荧光互补实验和免疫共沉淀实验进一步证实了其互作。Os SWI3C超量表达植株相对于野生型表现出干旱敏感,Os SWI3C抑制植株相对于野生型植株抗旱性增强。Os SWI3C-RNAi抑制植株在干旱条件下的染色质开放性测序数据表明,干旱条件下Os SWI3C-RNAi中存在的17925个DARs,其中绝大部分(15199个)是染色质开放程度增加的,这与Os NMCP1-OE中结果相似,说明在干旱条件下染色质重塑复合物Os SWI3C可能在染色质可及性调控中起到负调控作用。Os SWI3C-RNAi中可及性增加的DAGs与Os NMCP1-OE中的DPEIGs进行对比,发现存在544个基因的交集(Co PEIGs),占Os NMCP1-OE的DPEIGs的87.88%,说明Os NMCP1与Os SWI3C之间存在共调节关系。对Co PEIGs进行基因功能富集分析,显著富集的类型有包含45个转录因子的“transcription regulation”。从水稻表达谱数据库(Rice Expression Database)中提取Pearson相关系数大于0.7的RNA-seq数据,发现这45个转录因子与Os NMCP1-OE材料中剩下的DEGs具有很强的共表达关系,包括459个上调和546个下调的DEGs,分别对应涉及884和726对关系组共表达调控关系。这些结果表明,干旱条件下Os NMCP1可能与Os SWI3C共同作用,通过直接或间接的方式调控下游基因的表达。我们检测了一些已报道参与植株根系或抗旱性正调控的基因,包括Os NAC10,Os ERF48,Os SGL,Os MSR15,Os CML15,Os CML16,Os MSR2,Os CML25,Os ASR1,Os ASR2和Os ASR3,它们在Os NMCP1超量表达植株中上调表达,而在Os SWI3C超量表达植株中表达量下调,说明Os SWI3C在植株响应干旱应答中起到负调控的作用。根据以上的研究结果,我们归纳总结了Os NMCP1在水稻中的抗旱机理。Os NMCP1通过与SWI/SNF染色质重塑复合物的成员Os SWI3C相互作用,调控根系生长和水稻干旱应答基因的表达。干旱条件下,Os NMCP1被诱导表达增多,增多的Os NMCP1接触到Os SWI3C,使得Os SWI3C从SWI/SNF染色质重塑复合物中脱离,松散部分凝聚状态的染色质,增强干旱响应的转录因子的表达,进而直接或者间接提高正调控根系生长和水稻干旱应答基因的表达,促进植株根系生长,增强水稻的抗旱性。研究控制水稻根系生长的蛋白功能机制将完善植物通过根系避旱的分子机理,为作物抗旱遗传改良提供新的思路和基因资源。