干旱是影响植物生长和作物产量的主要环境限制因子之一。光合作用是作物产量形成的基本生理过程，对干旱胁迫尤为敏感。全球气候变暖将增加干旱胁迫的强度和频率。因此研究植物干旱适应机制和抗旱生物学特性，是改善植物光合作用并提高水分利用效率的有效途径。本文主要以光合速率和水分利用效率改善机制为核心，叶片CO2扩散特性为主线，研究了干旱胁迫对棉花叶片光合速率和水分利用效率的影响机制，明确了干旱胁迫下棉花叶片CO2传输（气孔导度和叶肉导度）和生物化学（最大羧化速率和最大电子传递速率）生理机制，阐明了叶片解剖结构对CO2传输特性的影响以及光合作用光反应和暗反应的相互协调作用。主要研究内容和结果如下：
　　1．干旱预处理同时改善棉花叶片光合作用和水分利用效率的生理机制。与未干旱预处理相比，干旱预处理提高了陆地棉新陆早45号棉花叶片叶肉导度，有利于叶片光合速率的增加，但不影响水分散失。因此，有助于同时改善光合速率和水分利用效率。为明确叶肉导度测定的影响因素，利用基于解剖结构的模型和变量J方法进行叶肉导度估算，不同处理下两种方法估算所得叶肉导度变化趋势一致，证明本研究所得叶肉导度具有可信度。同时，干旱预处理下，解剖组织结构和水孔蛋白基因表达参与了叶肉导度的调节，但未发现碳酸酐酶对叶肉导度的调节作用。
　　2．田间干旱胁迫下棉花叶片光合作用下降和水分利用效率提高的生理机制。干旱胁迫降低了海岛棉新海28号和陆地棉新陆早45号棉花叶片气孔导度和叶肉导度，且气孔限制与叶肉限制大小一致，共同造成光合速率的下降。气孔导度和叶肉导度紧密相关、共同协调，可维持叶绿体羧化位点的CO2和水分平衡，实现干旱胁迫下光合作用最优化。面向细胞间隙的叶绿体面积是干旱胁迫下叶片叶肉导度下降的主要调节因子。干旱胁迫对细胞壁厚度影响极小，有利于缓解叶肉导度的下降。同时，水孔蛋白和碳酸酐酶也是干旱胁迫下叶肉导度下降的影响因子。干旱胁迫下叶绿体可作为将来改善棉花抗旱性的主要修饰部位。
　　3．海岛棉和陆地棉对干旱胁迫和复水过程光合响应机制的差异。在干旱施加、产生干旱适应和恢复供水过程中，连续监测海岛棉新海28号和陆地棉新陆早45号的光合生理响应，并比较两者的响应差异。干旱胁迫施加过程中，海岛棉和陆地棉棉花叶片光合速率、气孔导度、叶肉导度、最大羧化速率和最大电子传递速率均下降，水分利用效率上升。海岛棉光合生理响应速度快于陆地棉。在达到并维持干旱预设水平期间，陆地棉和海岛棉光合速率停止下降并维持稳定，气孔导度上调从而引起水分利用效率下降。复水后，海岛棉光合速率、气孔导度、叶肉导度和最大羧化速率快速恢复甚至高于对照水平，补偿了干旱施加期间造成的光合生产损失。陆地棉恢复到对照水平所需时间长于海岛棉。在整个试验测定期间，与陆地棉相比，海岛棉始终维持较高的叶片水分利用效率。光合作用的干旱限制性分析表明，整个试验期间气孔限制占据主导地位。但随着叶龄增加，叶肉限制和生化限制是光合速率下降的主要原因。
　　4．海岛棉和陆地棉棉花叶片光合特性的差异及与解剖结构的关系。与海岛棉（新海21号和新海28号）相比，陆地棉（新陆早45号和新陆早33号）棉花叶片气孔导度、单位叶面积叶肉导度和最大羧化速率更高，三者共同协调改善了陆地棉棉花叶片的光合速率。用比叶重将单位叶面积的光合特性参数转换成单位叶片重量的光合参数，海岛棉和陆地棉单位叶片重量的净光合速率、叶肉导度和最大羧化速率并无显著差异，表明两者拥有相似的单个细胞光合能力。单位叶面积净光合速率、叶肉导度和最大羧化速率与叶片比叶重显著正相关。而且，海岛棉和陆地棉棉花叶片比叶重的差异主要与叶片厚度相关。因此，陆地棉和海岛棉棉花叶片叶片厚度的差异是造成两者单位面积净光合速率差异的主要原因。
　　5．棉花叶片栅栏组织和海绵组织与棉花苞叶结构特性的差异及其与叶肉导度和光合作用的关系。为进一步明确叶片解剖结构对叶肉导度及光合速率的调节作用，本研究将陆地棉新陆早45号叶片栅栏组织和海绵组织结构分别量化分析，并与棉花苞叶结构特性进行比较。苞叶光合速率显著低于叶片，叶肉导度和气孔导度是苞叶光合速率的主要限制因子。与叶片栅栏组织相比，叶片海绵组织和苞叶叶肉导度较低，是由于叶片栅栏组织细胞间隙所占比例较低、叶绿体更大、面向细胞间隙的叶肉细胞和叶绿体面积更高，细胞膜通透性更强。叶片海绵组织和苞叶拥有相似的叶肉导度，但是苞叶细胞壁厚度更大，是由于叶片海绵组织亚细胞结构特性尤其是叶绿体各结构特性的微小差异补偿了细胞壁厚度对叶肉导度的影响。本研究首次提出非叶绿色器官解剖结构对叶肉导度和光合速率的限制性角色。
　　6．棉花叶片光合作用光反应和暗反应之间的协调作用。前期主要从暗反应（CO2扩散）角度研究干旱胁迫下光合作用和水分利用效率协同改善的生理机制。为明确光暗反应如何紧密协调来优化光合速率和水分利用效率。本研究采用叶绿素荧光技术监测光合作用光反应诱导过程，用气体交换测定系统监测光合作用暗反应过程。结果表明，光系统Ⅱ开放反应中心所占比例与最大羧化速率显著相关，两者对温度响应一致。而且，光系统Ⅱ开放反应中心所占比例诱导过程极其缓慢。因此，推测光系统Ⅱ开放反应中心所占比例可以反映光合羧化酶的缓慢诱导过程，从而可作为光合作用光反应和暗反应过程的耦合因子。