水资源的缺乏制约了农业生产能力,干旱胁迫会导致植物细胞缺水,影响植物的生长及产量。棉花作为重要的经济作物,除提供纤维外,其种子还可作为蛋白饲料和油料的来源。不同棉花品种的对干旱的抗性差异较大,即便是具有较强抗旱性的棉花品种在干旱条件下通常也无法取得较高的产量,因此通过基因工程技术进一步增加棉花的耐旱性以满足棉花生产对抗旱的需求,对旱地的开发与利用具有重要意义。本研究所用棉花材料为转ApGSMT2g-ApDMT2g和转GhPEAMT-betA棉花。过表达ApGSMT2g和ApDMT2g基因赋予了棉花以甘氨酸合成甜菜碱（GB）的能力,过表达GhPEAMT和betA基因赋予了棉花以胆碱合成GB的能力。本研究利用旱棚（或大田）试验与盆栽实验研究了转基因棉花的抗旱性。在旱棚干旱条件下转ApGSMT2g-ApDMT2g基因棉花的籽棉产量高于野生型棉花的籽棉产量,其籽棉产量较野生型对照提高可达21.75%;在大田自然干旱条件下转GhPEAMT-betA基因棉花的籽棉产量高于野生型棉花的籽棉产量,其籽棉产量较野生型提高可达39.86%;籽棉产量结果表明转基因棉花对于干旱的适应能力高于野生型棉花。本研究利用盆栽实验,对刚进入蕾期的棉花进行了干旱胁迫,测定了 GB含量、相对含水量（RWC）、活性氧（ROS）水平、抗氧化酶活性、叶片净光合速率（Pn）、PSII性能等生理生化指标,并对棉花内源甜菜碱合成相关基因、抗氧化酶相关基因、PSⅡ合成及降解相关基因的表达水平进行了测定,期望解析转基因棉花抗旱性提高的可能原因。结果表明,转基因棉花在干旱条件下具有比野生型棉花更高的GB含量,较野生型提高可达37.23%,转基因棉花在干旱条件下具有比野生型棉花更高的RWC和更低的饱和渗透势,其中RWC较野生型提高可达32.05%。转基因棉花在干旱条件下拥有比同条件下野生型棉花更低的ROS水平和更高的光合性能。转基因棉花在干旱条件下的过氧化氢含量较野生型棉花降低可达48.94%,转基因棉花叶片超氧阴离子产生速率比野生型棉花降低可达38.84%,转基因棉花叶片的Pn可达野生型棉花相同叶位Pn的2.29倍。甜菜碱可通过提高细胞内抗氧化酶活性和抗氧化酶相关基因的表达水平来改善干旱胁迫下转基因棉花的活性氧的清除能力。转基因棉花细胞的APX、CAT、POD、SOD酶活性最高可较野生型棉花提高31.76%、37.77%、19.77%、192.18%。甜菜碱还可通过促进PSII损伤修复增加棉花应对干旱的能力,干旱胁迫下转基因棉花编码合成植物PSII反应中心D1蛋白的GhpsbA和编码降解相关酶的GhFTSH等基因的表达水平较野生型棉花明显提高,表明转基因棉花在干旱胁迫下具有比野生型棉花更高PSⅡ反应中心D1蛋白的降解和合成能力,修复PSⅡ损伤的能力增强。此外,干旱胁迫下转基因棉花植株叶片细胞中卡尔文循环中Rubisco羧化酶等具有更高的活性,转基因棉花植株获得了在干旱条件下具有比野生型更高的CO2固定能力,从而增加了转基因棉花对干旱的抵抗能力。综上所述,干旱胁迫下,转甜菜碱相关合成基因棉花通过提高细胞中GB含量,通过提高抗氧化酶相关基因的表达水平和抗氧化酶活性来增强转基因棉花细胞的活性氧清除能力,降低活性氧水平;提高了 PSⅡ的损伤修复能力以及保护了卡尔文循环性能来提高转基因棉花在干旱胁迫下的光合能力,进而提高了转基因棉花的抗旱性,提高转基因棉花在干旱条件下的籽棉产量。