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非生物逆境，包括低温、高温和干旱等通常会严重影响到农作物的生长及产量。植物的耐逆性是由多基因控制的复杂的数量性状，外界逆境信号通过激活植株体内多个信号传递途径，调控下游逆境胁迫应答相关基因的表达，以构成一个复杂的调控网络而保证植物的正常生长发育。因此，对非生物逆境胁迫下植物基因表达整体概况的研究有助于我们更好的理解植物的耐逆机制。
水稻(Oryza sativa L.)是我国乃至世界的重要粮食作物之一，也是功能基因组研究的单子叶模式植物，其特殊的重要性、大量已知的遗传和基因组信息以及成熟的转化体系使得水稻成为研究作物耐逆分子机理和挖掘新的耐逆相关功能基因的理想材料。通过基因工程手段提高水稻耐逆能力，保持其在非生物逆境条件下的产量，对我国乃至世界农业的持续稳定发展具有十分重要的战略意义。
我们应用基因芯片对水稻不同生长发育时期、不同组织器官全基因组在多种非生物逆境胁迫下的表达谱进行了分析，同时对其中两个耐逆候选基因进行克隆和基因功能研究，主要内容与结果如下：
1.应用含51,279个转录子的水稻基因组表达芯片(Affymetrix GeneChip(R)Rice Genome Array)，分析了超级稻两优培九母本培矮64S在低温、高温、干旱逆境胁迫下，其苗期、孕穗期、抽穗开花期的叶片与穗中全基因组的表达水平。分析芯片数据表明，在低温(4℃，四个处理样品)、高温(45℃，两个处理样品)、干旱(三个处理样品)条件下，表达水平增高4倍以上的基因分别有4545个，1724个，3244个；降低4倍以上的基因有3147个，1949个，3259个。相同的逆境条件下，同一组织器官在不同发育时期、同一发育时期不同组织器官有着明显不同的表达谱，也就是说逆境响应基因表达在时间、空间上都具有高度特异性。
2.每个样品中基因的表达量是根据它们与芯片上互补片段杂交后信号的荧光强度来确定的。不同的芯片杂交反应条件和数据分析处理方法对相同基因在表达谱中差异程度的测试都产生影响。运用实时荧光定量PCR法(Quantitativereal-time PCR,qReal-time PCR)对基因芯片数据中筛选出的22个基因进行了表达水平分析，发现实时荧光定量PCR数据与芯片数据的变化趋势基本一致，而两组数据之间变化的差异，则可能是植物材料发育、处理、采集过程中的差异，以及两种方法技术本身的不同所造成。
3.根据上述分析结果，针对其中两个基因进行结构分析和克隆分离。一个是基因OsMsr4(Oryza sativa L.multiple-stresses responsive gene)，在多种非生物逆境条件，各生长发育时期与组织器官，其表达量均显著上调。用PCR方法扩增获得长为550bp全长基因序列，其编码的144个氨基酸残基形成Cys2His2型双锌指结构蛋白，并且锌指结构的a-螺旋区含有植物锌指蛋白特定的保守序列QALGGH。因此OsMsr4有可能编码的是TFⅢA型锌指蛋白，作为转录因子参与各种环境胁迫应答反应，调控多个逆境相关基因表达。
4.基因OsHdr5(Oryza sativa L.heat-drought stresses responsive gene)，在多个生长发育时期与组织器官中受高温、干旱诱导均显著上调，用PCR方法扩增获得长为743bp全长基因序列，推导的ORF编码167个氨基酸残基，组成的肽链含有磷酸化激酶位点，其二级结构形成一个由6个a螺旋和2个β折叠组成的跨膜结构域，进一步分析推测其可能是叶绿体膜上与细胞跨膜信号传递相关的功能蛋白。
5.将克隆的基因分别构建到含有CaMV2×35S启动子和水稻Actin启动子的双元载体上，并转化根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)菌株 EHA105和GV3101。以双子叶模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的生态型Col-0，单子叶模式植物水稻的籼稻93-11(超级稻两优培九父本)为受体材料，用农杆菌介导法将两个基因分别转入两种植物中。转基因拟南芥植株的表型有所改变，且无论在正常条件还是逆境(高温、高盐、高K+和低K+)条件下，其生长势和生长状态要优于对照组，耐逆能力有所提高。