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干旱是影响很多重要作物产量和地理分布的主要非生物胁迫之一。水稻(Oryzasativa L.)不仅是世界上最重要的粮食作物,也是单子叶植物的模式种。利用组学方法研究水稻对干旱胁迫的应答机制,进而研究抗旱机理,对于全面揭示植物干旱适应的遗传基础,发掘干旱应答相关基因、蛋白和代谢物具有重要的意义。我们通过关联蛋白质组、转录组和代谢组的数据,运用生物信息学手段探讨了水稻在干旱胁迫下的整体反应、分析水稻抗旱的分子机制。四周大小的早稻品种IRAT109幼苗停止浇水3天之后,水稻叶片出现卷曲,相对电导率和脯氨酸含量升高,叶水势和土壤含水量下降。用双向电泳对水稻叶片全蛋白进行检测,发现1200多个可溶性蛋白,经T检验发现71个蛋白点丰度发生1.5倍以上显著变化(48个上调,23个下调)。将这些差异蛋白点进行MALDI-TOF-TOF-MS分析,有60个蛋白点得到有效的鉴定。大部分蛋白质是以前报道的与干旱等逆境胁迫相关,有4个是首次发现的与干旱应答有关的蛋白质,分别为腺苷高半胱氨酸水解酶(adenosylhomocysteinase)、醇酮酸还原异构酶(ketol-acid reductoisomerase)、蔗糖-UDP葡糖基转移酶2(sucroce-UDPglucosyltransferase 2)、甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase)。对所鉴定的蛋白质通过Expasy、KEGG和NCBI数据库分析以及相关的文献查询对其功能进行了分类,发现这些蛋白质的功能涉及调节因子(regulatory factor)、过氧化物平衡(redoxhomeostasis)、代谢和能量(metabolism and energy)和细胞骨架(cytoskeleton)等六个方面,其中与调节因子类相关的蛋白最多,占总蛋白数的40%。通过cDNA芯片对水稻叶片mRNA的表达情况进行调查,总共发现4427个变化倍数在2倍以上的差异表达基因,其中有1812个上调基因、2615个下调基因。随机挑选40个差异基因设计引物进行荧光定量PCR(RT-PCR)验证,发现两者的相关系数为0.95。通过Gene Ontology(GO)分类系统对这些差异基因进行分类,发现这些基因主要分布在7个类别:细胞(cell)、细胞组分(cell part)、细胞器(organelle)、结合功能(binding)、催化功能(catalyitc)、亚细胞过程(cellular process)和代谢过程(metabolic process),整体上与差异蛋白的GO功能分类结果相吻合。相关性分析发现所有差异蛋白与其对应mRNA的表达水平的相关性系数只有0.08,同时各功能类蛋白的相关系数却不尽相同:调节因子类为-0.35、过氧化物类为0.03、能量与代谢类为0.02、抗旱相关类为0.82。利用气相色谱(GC)和气相色谱-质谱(GC-MS)联用的方法,对水稻叶片的全代谢物进行调查。共发现129个代谢物,主成分分析(PCA)发现胁迫组和对照组可以明显分开。T检验发现有38个代谢物含量发生1.5倍以上显著变化,主要包括氨基酸、糖类和有机酸等。采用生物信息学方法对56个差异蛋白所参与的代谢通路(pathway)进行基于离散分布的显著性分析,总共发现13个代谢通路在干旱胁迫下受这些差异蛋白的调控,其中最显著代谢通路为光合作用中的碳固定(carbonfixation)过程。通过KEGG数据库对碳固定进行映射(mapping)分析,发现38个差异代谢物中的天冬氨酸(旱胁迫之后上调2.7倍)正好是最显著代谢途径碳固定中的一个组分。