水资源不足是干旱半干旱地区生态环境和农业生产的主要限制因素。植物水
分平衡的生理生态基础研究是发展节水农业和生态建设的重要依据。植物可以通
过调节根茎枝叶等部位的导水特性以维持整体水分平衡，而水通道蛋白的深入研
究将有助于揭示植物水分关系的生理生态机制。本论文选用玉米（Zea mays L.）、
小麦（Triticum spp.）和甜高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）为实验材料，通过
人工控制环境条件下以聚乙二醇诱导形成短期或长期水分胁迫处理，研究了水通
道蛋白转录调节、从细胞到整株各尺度导水特性响应以及叶片水氮利用能力变化。
取得主要结果如下：
(1). 恒定环境条件下玉米 478 的叶蒸腾速率、根导水率、叶导水率和整株导水
率均表现明显日变化，且各参数间均存在显著正相关关系。这对于维持植株整体
水分平衡是必要的。水分胁迫处理 2 小时后，玉米 478 根导水率显著降低而叶导
水率却显著升高；叶片中 ZmPIPs 基因的转录量也显著增加，尤其是 ZmPIP1;2；
而根中仅 ZmPIP2;5 的转录水平显著下调，表明 ZmPIPs 可能参与了根叶导水特性
的短期调节过程。
(2). 干旱敏感玉米 478 的叶蒸腾速率呈明显的日变化规律，而抗旱性较强的天
四较低且维持恒定；478 在叶片水力结构、根叶形态和根导水率等方面均表现出适
应高蒸腾耗水的特征；478 和天四通过不同的叶内部水势差调节策略维持叶片水分
平衡。短期水分胁迫下，478 的根导水率下降而叶导水率增加，且叶蒸腾降低幅度
却较小导致其体内水分亏缺；而天四的叶蒸腾速率大幅下降且根导水率在胁迫 8
小时后部分恢复。低叶蒸腾、水分胁迫后蒸腾迅速降低以及根导水率能部分恢复
等特性可能是天四保持水分平衡的重要原因。
(3). 正常供水天四和 478 的根叶中各 ZmPIPs 基因的转录水平存在明显差异，
其中 ZmPIP1;5 在 478 中转录量较大而在天四中检测不到。PEG 诱导水分胁迫处理
2 小时内，天四根中各 ZmPIPs 转录水平总体上调而叶片中总体下调，可能有助于
其增加根系吸水同时减少叶片失水；478 根中和叶片中各 ZmPIPs 的 mRNA 相对含量表现短暂的升高过程，这可能与其叶片蒸腾失水降低幅度较小有关。
(4). 随着染色体倍性增加，小麦叶蒸腾失水和根系吸水能力均不断增大，而皮
层细胞体积却逐渐减小。在正常供水或水分胁迫条件下，叶蒸腾速率、单根导水
率、根细胞导水率以及 TaPIPs 转录水平之间均存在显著正相关关系。皮层细胞体
积可能参与调节根径向水流各途径的相对贡献。在小麦进化过程中，根中 TaPIP
基因转录水平、细胞-细胞途径和质外体途径均显著增加，进而增强根系吸水能力
以满足冠层耗水增加从而维持整株水分平衡。
(5). 既然植物的基因表达、不同尺度导水特性和叶蒸腾之间存在一致性关系，
那么叶片水分利用特性可能对整株耗水起控制作用。高抗旱性甜高粱对长期水分
胁迫的适应过程中，叶片瞬时水分利用效率（WUE）显著增加，叶面积和单株耗
水均显著降低，而干物质积累却变化不显著；叶氮积累显著降低；而光合氮利用
效率（PNUE）和氮利用效率（NUE）显著增加。在干旱适应过程中，甜高粱叶片
PNUE 提高可能是 WUE 提高并减少植株耗水的原因之一。
本论文通过分析控制环境条件下所取得的实验数据，较深入探讨了植物水分
平衡生理生态机制中的一些科学问题。研究结果有助于深化植物整体抗旱性的生
物学基础的认识，为深入研究水-氮-碳三者间协调关系的生理机制提供基础，并为
通过基因改良提高植物水分利用效率提供实验依据。
关键 词 ：整株水分平衡；导水特性；水通道蛋白；SPAC；抗旱性；染色体倍性；
水分胁迫