水资源不足是干旱半干旱地区生态环境和农业生产的主要限制因素。植物水分平衡的生理生态基础研究是发展节水农业和生态建设的重要依据。植物可以通过调节根茎枝叶等部位的导水特性以维持整体水分平衡，而水通道蛋白的深入研究将有助于揭示植物水分关系的生理生态机制。本论文选用玉米（Zea mays L.）、小麦（Triticum spp.）和甜高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）为实验材料，通过人工控制环境条件下以聚乙二醇诱导形成短期或长期水分胁迫处理，研究了水通道蛋白转录调节、从细胞到整株各尺度导水特性响应以及叶片水氮利用能力变化。取得主要结果如下：(1).恒定环境条件下玉米478的叶蒸腾速率、根导水率、叶导水率和整株导水率均表现明显日变化，且各参数间均存在显著正相关关系。这对于维持植株整体水分平衡是必要的。水分胁迫处理2小时后，玉米478根导水率显著降低而叶导水率却显著升高；叶片中ZmPIPs基因的转录量也显著增加，尤其是ZmPIP1;2；而根中仅ZmPIP2;5的转录水平显著下调，表明ZmPIPs可能参与了根叶导水特性的短期调节过程。(2).干旱敏感玉米478的叶蒸腾速率呈明显的日变化规律，而抗旱性较强的天四较低且维持恒定；478在叶片水力结构、根叶形态和根导水率等方面均表现出适应高蒸腾耗水的特征；478和天四通过不同的叶内部水势差调节策略维持叶片水分平衡。短期水分胁迫下，478的根导水率下降而叶导水率增加，且叶蒸腾降低幅度却较小导致其体内水分亏缺；而天四的叶蒸腾速率大幅下降且根导水率在胁迫8小时后部分恢复。低叶蒸腾、水分胁迫后蒸腾迅速降低以及根导水率能部分恢复等特性可能是天四保持水分平衡的重要原因。(3).正常供水天四和478的根叶中各ZmPIPs基因的转录水平存在明显差异，其中ZmPIP1;5在478中转录量较大而在天四中检测不到。PEG诱导水分胁迫处理2小时内，天四根中各ZmPIPs转录水平总体上调而叶片中总体下调，可能有助于其增加根系吸水同时减少叶片失水；478根中和叶片中各ZmPIPs的mRNA相对含量表现短暂的升高过程，这可能与其叶片蒸腾失水降低幅度较小有关。(4).随着染色体倍性增加，小麦叶蒸腾失水和根系吸水能力均不断增大，而皮层细胞体积却逐渐减小。在正常供水或水分胁迫条件下，叶蒸腾速率、单根导水率、根细胞导水率以及TaPIPs转录水平之间均存在显著正相关关系。皮层细胞体积可能参与调节根径向水流各途径的相对贡献。在小麦进化过程中，根中TaPIP基因转录水平、细胞-细胞途径和质外体途径均显著增加，进而增强根系吸水能力以满足冠层耗水增加从而维持整株水分平衡。(5).既然植物的基因表达、不同尺度导水特性和叶蒸腾之间存在一致性关系，那么叶片水分利用特性可能对整株耗水起控制作用。高抗旱性甜高粱对长期水分胁迫的适应过程中，叶片瞬时水分利用效率（WUE）显著增加，叶面积和单株耗水均显著降低，而干物质积累却变化不显著；叶氮积累显著降低；而光合氮利用效率（PNUE）和氮利用效率（NUE）显著增加。在干旱适应过程中，甜高粱叶片PNUE提高可能是WUE提高并减少植株耗水的原因之一。本论文通过分析控制环境条件下所取得的实验数据，较深入探讨了植物水分平衡生理生态机制中的一些科学问题。研究结果有助于深化植物整体抗旱性的生物学基础的认识，为深入研究水-氮-碳三者间协调关系的生理机制提供基础，并为通过基因改良提高植物水分利用效率提供实验依据。