马铃薯（Solanum tuberosum）是一种重要的经济作物,在全世界粮食供应方面发挥着至关重要的作用。但由于其根系疏松、浅,所以极易受到环境中非生物胁迫（包括干旱、盐胁迫和温度变化等）的影响,造成产量品质严重降低。特别是土壤短期干旱,就会造成马铃薯的严重减产。因此,提高马铃薯抗旱性以应对全球变暖和土壤干旱等多重挑战的任务迫在眉睫。近年来,提高马铃薯抗旱性的方法主要有,育种和栽培技术优化,以及遗传改良策略等。遗传改良策略包括:增加抗氧化物质浓度,降低细胞内胁迫引起的过多ROS的积累,过表达转录因子基因,激活干旱胁迫应答,和提高渗透调节物质积累水平,比如甜菜碱（glycine betaine,GB）,甜菜碱等渗透调节物质,在胁迫下,能够降低细胞渗透势,维持细胞膨压,增强吸水作用,提高植物对胁迫的适应能力,在植物抗非生物胁迫方面发挥着重要作用。在高等植物和大肠杆菌（Escherichia coli）中,GB由胆碱经两步催化反应得到,而在环形节杆菌（Arthrobacter globiformiscan）中,胆碱可由胆碱氧化酶（由cod A基因编码）经一步氧化反应生成甜菜碱。并且,作为低分子量的代谢物,GB易溶于水,高浓度也不会产生细胞毒性。之前有研究报道,在环境胁迫下,定位于叶绿体的甜菜碱比定位于细胞质基质能更有效地保护转基因植物。鉴于质体转化在外源基因表达量高、无基因沉默和位置效应、生物安全性更高等方面的优势,我们通过质体转化,成功将来源于A.lobiformis的cod A基因定点整合到马铃薯的叶绿体基因组中,通过Southern杂交分析,我们得到了两个同质化的植株（PC植物）。然后Northern杂交进一步验证这两个PC植物cod A基因的表达水平,发现cod A m RNA的积累量相同。同时两个PC植物在MS培养基（异养）和土壤（自养）中的生长状态和野生型（WT植物）没有差异,表明它们没有表型。所以我们选择两个转基因株系中的其中一个（PC#1）进行了生理实验。通过Northern杂交进一步分析WT和PC#1植物叶片和块茎中cod A m RNA的积累量,我们发现,PC#1植物叶片中cod A基因的m RNA的积累量约是块茎中的10倍。经¹H NMR分析GB的含量,正常生长条件下的PC#1植物叶片(～1.21±0.36μmol g^-1 DW)和块茎(～1.77±0.21μmol g^-1 DW)中GB积累量处于相当的水平,但均显著高于WT植物。在干旱条件下,与WT植物相比,PC#1植物生长状态更好,表现出更高的叶片相对含水量和叶绿素的含量;复水之后,PC#1植物能快速恢复,且能继续正常生长,而WT植物不能恢复。在干旱下,PC#1植物较WT植物光合作用效率更高,具有更高的抗氧化酶活性。该研究是第一次成功将来源于A.globiformis的cod A基因通过质体基因工程定点整合到马铃薯叶绿体基因组上,经过胆碱氧化酶的一步氧化,使PC植物可以在叶绿体中积累甜菜碱。尽管PC植物叶绿体中甜菜碱积累量并不高,但与WT植物相比,PC植物的抗旱性显著提高。本文的研究结果表明,通过质体转化在马铃薯植物中积累甜菜碱是增强植物抗旱性的一种有效的方式。