植物在生长发育过程中面临着多种非生物比如盐、干旱、高低温等胁迫，这些因素严重限制了全球农业生产和经济发展。一些植物能够利用渗透调节物质来调节生物体内的平衡。甜菜碱是植物体内一种重要的渗透调节物质，前期的研究表明甜菜碱的合成部位主要在叶绿体中，由胆碱单氧化酶(CMO)和甜菜碱醛脱氢酶(BADH)催化将胆碱氧化成甜菜碱。 利用农杆菌介导的方法将CMO基因导入植物体的研究已有报道，但转基因植物中甜菜碱的积累量并没有很大程度的提高，并且抗盐效果也不明显。叶绿体转基因是植物基因工程领域的一个新的增长点。叶绿体转基因系统相比传统的核转基因系统具有定点整合外源基因并使之稳定遗传、超量表达、基因产物区域化以及生物安全性好等诸多优点。通过叶绿体转化系统来表达甜菜碱合成途径中的关键酶将有可能更好的发挥其功能以提高转基因植物的抗逆性。 本研究从甜菜中克隆了胆碱单氧化酶(BvCMO)基因，将其导入到烟草叶绿体基因组中，叶绿体转基因烟草能够成功的积累甜菜碱，转基因烟草的抗盐与抗旱性得到了明显提高。主要结果总结如下： (1)构建了烟草叶绿体表达载体。从烟草叶绿体基因组中克隆了同源重组序列(HHRR)，16s rRNA基因启动子，psbA基因启动子，psbA基因终止子，rps16基因终止子，从载体pIO10中克隆了aadA基因，通过一系列的分子克隆过程将这些元件组合起来。得到了带有多克隆位点的叶绿体表达载体pDC-aadA。 (2)获得了表达胆碱单氧化酶(BvCMO)基因的叶绿体转基因烟草。根据GeneBank所发表的序列，从甜菜中克隆了胆碱单氧化酶(BvCMO)基因，将该基因的编码序列连同SD序列(T7 gene G10 leader)克隆到叶绿体表达载体pDC中，构建了叶绿体转化载体pDC-aadA/BvCMO。通过基因枪转化法将其导入到烟草的叶绿体中，共得到了5个转基因株系，将它们在含有高浓度壮观霉素和链霉素的再生培养基上进行3-4轮的叶片再生培养，得到了高度同质化的转基因烟草。 (3)对甜菜碱含量进行测定，表明转基因烟草能够成功的积累甜菜碱，叶片中积累的甜菜碱含量最高，其次是根和种子中。叶片中甜菜碱的含量为0.2 μmol/gFW。另外，转基因植物表现出对高浓度胆碱(30 mM)毒害的抗性，外源添加5mM胆碱后转基因植物的甜菜碱合成能力大幅提高，说明烟草中内源胆碱供应不足可能是限制烟草体内甜菜碱合成的一个主要原因。 (4)为进一步了解BvCMO在叶绿体中的表达对转基因烟草抗盐和抗旱以及光合作用的影响。对转基因烟草进行了一系列生理实验。结果显示：在叶绿体中组成型表达BvCMO基因能提高烟草的耐盐和抗旱能力。BvCMO基因的表达并不影响转基因烟草的正常生长、开花和结实。在盐胁迫条件下，转基因烟草的种子萌发率、生长速率明显高于野生型，在含有150 mM NaCl的营养液的浇灌下，野生型烟草生长受到严重妨碍，相比之下，转基因烟草受到的影响比较轻。另外，在盐胁迫条件下转基因烟草的光合作用能力相对野生型下降的幅度要低。控水17灭后，野生型烟草完全萎蔫，而转基因烟草只呈现极其轻微的萎蔫表型。相对野生型，转基因烟草叶片的失水速率较慢。 (5)将叶绿体转基因烟草和野生型烟草进行杂交，结果表明叶绿体转基因遵循母系遗传，花粉中不带有转基因成分(抗性基因)，相比传统的核基因转化具有生物安全性上的优势。 综合上述研究结果，本文认为通过叶绿体表达BvCMO基因能够提高转基因烟草的抗盐性和抗旱性。