水稻（Oryza sativa Linn.）和玉米（Zea mays Linn.）是世界范围内重要的谷类粮食作物。为了解决世界粮食问题，近年来国际水稻研究所提出了C4水稻工程，拟通过引入C4光合机制改进水稻内部光合作用过程，以达到提高水稻产量和确保未来粮食安全的目的。目前关于C4水稻的研究在生理调控方面已经展开诸多尝试，并取得了初步成果。但是由于C3和C4植物光合作用途径的差异与两者叶绿体结构差异和功能分化密切相关，因此，深入了解两者叶绿体的形态发生规律，对于进一步从植物分子生物学和生理生化方面探讨光合作用的内部机理及调控特点具有重要参考价值。本文运用半薄和超薄切片技术、植物组织化学、植物生理方法和生物统计方法等对野生型水稻及OsNOA1（nitric oxide-associated protein1）沉默株系Line20和野生型玉米及突变体bsd2（bundle sheath defective2）的叶绿体的结构特征、发育规律及其对光合作用的调控进行了比较研究，从细胞学角度深入剖析了水稻和玉米植物野生型和突变体中叶绿体的结构发育变化特点，并在此基础上分析了水稻OsNOA1和玉米Bsd2基因对叶绿体结构和发育的影响，同时从细胞学水平探讨了C3和C4植物叶绿体的结构和功能的演化。主要研究结果如下：　　 1、根据基粒及淀粉粒的变化趋势，C3植物水稻的叶绿体发育过程可划分为四个阶段：原质体阶段，基粒初步建成及储藏淀粉消耗阶段，叶绿体成熟及光合淀粉合成阶段，衰老阶段。Line20的叶绿体结构发育在30℃下有一定缺陷，但是能够逐渐恢复至成熟形态，而22℃下则出现明显的降解甚至空泡化现象。这表明OsNOA1基因以温敏模式进行作用，低温下对水稻叶绿体的结构发育具有显著促进作用，高温下可被替代或弥补。此外，OsNOA1基因可能还以某种调控机制对叶绿体分裂产生影响。　　 2、根据基粒的结构发育特征，C4植物玉米的叶绿体发育过程可划分为五个阶段：原质体阶段、基粒初步发育阶段、鞘细胞基粒去分化阶段、形态结构稳定阶段和衰老阶段。其中鞘细胞基粒去分化阶段非常关键。在叶绿体发早期，bsd2突变体与野生型一致。但是当野生型鞘细胞基粒发生去分化以形成特异性C4结构时，bsd2鞘细胞叶绿体的基粒数目反而继续增加，且基质类囊体垛叠区域变长。这致使bsd2突变体缺乏典型的C4植物细胞学特征。另外，bsd2的叶肉细胞叶绿体从基粒开始发育一直到成熟均比野生型的要薄。以上研究结果表明，Bsd2基因对玉米叶绿体的发育具有双向调控作用：一方面对维管束鞘细胞叶绿体基粒的形成有抑制作用；另一方面对叶肉细胞叶绿体基粒的分化有促进作用。此外，Bsd2基因还对叶绿体分裂起到一定促进作用。　　 3、在水稻Line20和玉米bsd2的叶绿体膨胀降解之前总是伴随有Rubisco(ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)含量下降的现象，且发生叶绿体膨胀的位置刚好与Rubisco在C3和C4植物中的分布相吻合。这说明Rubisco含量降低可能是导致叶绿体结构膨胀的重要生理原因之一。另外，玉米bsd2突变体的叶绿体发育与Rubisco密切相关，推测通过对Rubisco改造将有可能调控基粒的去分化过程。综上所述，Bsd2基因在C3向C4叶绿体结构的转变过程中扮演着重要角色，对C4水稻的未来研究有重要理论意义。　　 4、从个体发育的特征比较分析，水稻C3叶绿体和玉米C4叶绿体的早期发育特征一致。不同的是，水稻C3叶绿体进行基粒的进一步增多和增厚直至结构成熟稳定，而玉米C4叶绿体则出现了鞘细胞内初始基粒的去分化，最终导致结构和功能差异巨大的两类叶绿体出现。另外，玉米bsd2突变体的叶绿体结构发育出现缺陷，其鞘细胞基粒去分化阶段存在障碍导致两类叶绿体都呈现出C3植物结构特征。这些发现为支持C4植物是经C3植物演化而来的理论提供了新的细胞学证据。