水稻是世界范围内最重要的粮食作物之一,提高其品质和产量一直是农业科学技术研究努力的目标。干旱、高盐、极端温度等多种非生物逆境胁迫常常会导致水稻的大规模减产,成为许多地区农业发展的重要制约因素。在自然条件日益恶劣的今天,利用现代分子生物学手段研究抗逆相关基因的功能和调控机制进而提高水稻的抗逆性,是水稻功能基因组研究的重要内容。NAC(NAM,ATAF,CUC)转录因子家族在水稻逆境应答和生长发育进程中扮演着十分重要的角色,分离水稻逆境相关NAC基因并鉴定其生物学功能对于水稻抗逆性改良意义重大。本研究对水稻NAC转录因子家族进行了系统的生物信息学分析,对芯片中受逆境诱导表达的候选基因进行了表达谱验证,并挑选了 24个逆境应答的NAC基因作为候选基因,利用超量表达、RNAi技术和突变体鉴定相结合的方法进行进一步研究。根据超量表达转基因植株的逆境表型筛选结果,我们将SN1基因和水稻miR164的NAC靶基因(OMTN)作为重点研究对象并进行了较为深入的功能分析。主要结果如下:经过同源搜索和隐马尔可夫模型筛选,我们初步发现水稻基因组中有138个位点编码NAC或NAC-like转录因子。基于保守NAC结构域进行系统发生分析,水稻NAC转录因子可以分为5个亚类(Ⅰ-Ⅴ),其中已报道的与发育相关的成员大多属于第Ⅰ亚类,而与逆境相关的成员大多属于第Ⅲ亚类(命名为SNAC)。模体预测分析结果表明:NAC家族蛋白基于模体结构可分为15类(A-O),大多数NAC蛋白的保守DNA结合结构域位于蛋白N端,而C端的转录调控域则高度可变。酵母单杂交实验表明:含有不同模体组成的NAC蛋白均具有DNA结合活性。逆境芯片数据显示,相当一部分水稻NAC基因受逆境胁迫诱导表达,我们利用实时定量PCR分析验证了这些基因的逆境表达谱。启动子顺式元件分析结果表明:NAC家族基因启动子区域主要有17个顺式元件富集,其中包括对激素、光和温度等刺激响应的顺式元件以及与组织器官特异表达模式相关的顺式元件等。SN1基因在干旱、高温、高盐、ABA等逆境胁迫条件下表达量显著上升,时空表达特异性不明显。超量表达SN1基因的转基因植株对高温、干旱和MV(甲基紫精)氧化胁迫的抗性增加,而SN1的RNAi抑制表达植株则表现出对高温、甘露醇模拟的干旱胁迫以及MV氧化胁迫的敏感性增强。定量PCR结果表明:大量ROS清除酶类基因在SN1超量表达植株中的表达量显著上升,而在抑制表达植株中的表达量显著下降。DAB染色的结果表明:在正常条件下,超量表达植株与野生型植株中积累的H2O2含量没有明显差异;而在高温胁迫条件下,超量表达植株中积累的H2O2含量显著低于野生型植株中的H2O2。在高温胁迫条件下,SN1超量表达植株中的MDA含量和相对离子渗漏率显著低于对照植株的相应指标。这些结果说明,SN1极有可能通过调控ROS清除酶类基因的表达来调节水稻中的氧化还原状态进而调控水稻对高温的抗性。共表达分析的结果表明有5个在SN1超量表达植株中上调表达的ROS清除酶类基因与SN1之间存在共表达模式。酵母单杂交点对点分析的结果表明,SN1蛋白能够结合到其中3个ROS清除酶类基因(R1、R11和R45)的启动子区域,说明这3个基因可能是SN1直接的下游靶基因。拟南芥miR164的靶基因是5个NAC基因,我们的研究结果表明水稻中有6个NAC基因(OMTN1-OMTN6)可能是水稻miR164的靶基因。RLM-RACE结果证实miR164能介导OMTN1和OMTN2基因mRNA的断裂,断裂位点与拟南芥中的报道相符。OMTN基因对包括干旱在内的多种逆境胁迫均有响应,它们在水稻不同组织器官中的时空表达模式各不相同。OMTN蛋白具有典型NAC转录因子的特征,它们的转录激活区位于蛋白C端。OMTN基因的miR164识别位点在158份水稻微核心种质资源品种中高度保守。在酵母系统中,定点诱变和缺失靶位点均不会影响OMTN蛋白的DNA结合活性;定点诱变不会影响OMTN蛋白的转录激活活性,而缺失靶位点则会使OMTN蛋白丧失转录激活能力,说明靶位点对于OMTN蛋白转录激活能力的维持具有重要作用。超量表达OMTN2、OMTN3、OMTN4和OMTN6的转基因水稻在成株期对干旱的敏感性显著增强,大量逆境应答基因、发育相关基因、调控基因以及代谢相关基因在OMTN2、OMTN3、OMTN4和OMTN6超量表达植株中的表达量发生了显著变化。OMTN4和OMTN6的RNAi抑制表达植株表现出器官融合、叶片扭曲等与miR164超量表达植株类似的发育表型,说明OMTN基因同时参与了水稻对逆境应答和生长发育的调控。