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关于甲醛污染治理方法已有许多报道,在众多治理甲醛污染的方法中,植物净化法以其简单自然、经济有效等特点,受到越来越多的关注。烟草和拟南芥是植物学领域研究常用的两种模式植物,之前的研究表明烟草对甲醛的吸收能力及抗性都弱于拟南芥。甲酸脱氢酶（FDH）和丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）是植物一碳代谢的两个关键酶,FDH可将甲酸氧化为CO2,SHMT介导Gly和Ser之间的相互转换。FDH和SHMT的表达可被多种非生物胁迫诱导,在植物响应非生物胁迫过程中发挥重要作用。在拟南芥甲醛代谢过程中FDH能将甲醛代谢产生的甲酸氧化为CO2,SHMT则催化Gly和5,10-13CH2-THF（四氢叶酸）的反应产生Ser。FDH和SHMT的表达都受甲醛胁迫的诱导。本研究首先分析烟草甲醛代谢作用与其甲醛吸收能力的相关性,然后在转基因烟草中单独或同时过量表达拟南芥的FDH、SHMT,通过分析液体和气体甲醛胁迫下转基因烟草甲醛代谢机制、甲醛吸收能力和甲醛抗性的变化来阐明FDH和SHMT在转基因烟草应答甲醛胁迫中的生理作用和功能,通过分析FDH和SHMT的过量表达对气体甲醛胁迫下转基因烟草叶片中调控气孔运动信号途径蛋白表达、磷酸化水平及相互作用的影响,阐明FDH和SHMT的过量表达改变转基因烟草甲醛吸收能力的分子机理,为利用甲醛胁迫应答基因提高植物甲醛吸收能力的遗传工程提供理论依据和新的操作策略。获得的主要结果以下:在2mM液体甲醛溶液中处理24h后,野生型（WT）烟草叶片从处理液中吸收的甲醛大约为24.1%,证实烟草叶片对甲醛具有一定的吸收能力。13C-NMR分析结果说明[4-13C]Asn、[3-13C]Gln、[U-13C]草酸（OA）、H13COOH 是烟草叶片代谢2mM H13CHO的主要中间产物。环孢素A（CSA）和黑暗预处理几乎完全抑制烟草叶片H13CHO代谢产生[4-13C]Asn、[3-13C]Gln、[U-13C]OA,但不抑制H13COOH的产生。对叶绿素和Rubisco含量的分析结果说明CSA和黑暗预处理对烟草叶片细胞的存活情况没有严重影响,但显著抑制烟草叶片对甲醛的吸收作用,产生[4-13C]Asn、[3-13C]Gln、[U-13C]OA途径对甲醛吸收的贡献率为62.9-69.5%,说明这个途径在烟草叶片甲醛吸收过程中发挥主要作用,烟草叶片甲醛代谢与吸收有较好的相关性。在拟南芥甲醛脱毒过程中由甲醛氧化产生的甲酸可以进一步氧化为CO2,然后进入卡尔文循环用于葡萄糖的合成。然而,在烟草甲醛代谢过程中来自甲醛的碳代谢流没有进入卡尔文循环用于葡萄糖的合成。FDH在拟南芥中具有叶绿体和线粒体双重定位,而在烟草中仅有线粒体定位。本研究尝试利用光诱导型启动子（PrbcS）和叶绿体信号肽（T）在WT烟草叶片的叶绿体中过量表达拟南芥FDH,以期将甲醛的碳代谢流引入卡尔文循环用于葡萄糖的合成,增强FDH转基因烟草的甲醛抗性和吸收能力。利用13C-NMR分析转基因烟草对2和6mM液体甲醛的代谢谱,结果表明FDH在转基因烟草叶绿体中的过量表达并没有将甲醛的碳代谢流引入葡萄糖的合成,但增强了转基因烟草叶片中甲醛代谢产生[4-13C]Asn、[3-13C]Gln、[U-13C]OA 和 H13COOH 的量。进一步的研究表明过量表达FDH也提高转基因烟草对液体甲醛的抗性和吸收能力。这些结果说明在转基因烟草叶绿体中过量表达FDH通过增强烟草对甲醛的抗性和原有甲醛代谢途径的作用来增强烟草对甲醛的吸收能力。丝氨酸（Ser）是拟南芥甲醛代谢的重要产物之一,但在烟草甲醛代谢过程没有产生Ser。本研究尝试利用PrbcS启动子在WT烟草叶片中过量表达拟南芥光呼吸途径的SHMT1产生SHMTT转基因烟草,将烟草甲醛的碳代谢流引入Ser的合成,增强烟草对甲醛的抗性和吸收能力。利用13C-NMR分析转基因烟草对2和6mM液体甲醛的代谢机制,结果表明在转基因烟草叶片中过量表达SHMT也没有能将甲醛的碳代谢流引入Ser的合成,但增强了转基因烟草叶片中产生[4-13C]Asn、[3-13C]Gln、[U-13C]OA 和 H13COOH 途径的作用。进一步的研究表明过量表达SHMT也提高转基因烟草对液体甲醛的抗性和吸收能力。这说明在转基因烟草中SHMT与FDH过量表达的作用相似,都是通过增强烟草对甲醛的抗性和原有甲醛代谢途径的作用来增强烟草对甲醛的吸收能力。利用PrbcS启动子在SHMT转基因叶片中过量表达拟南芥甲酸代谢途径的FDH产生SHMT/FDH双转基因烟草,用13C-NMR分析转基因烟草对2和6mM液体甲醛的代谢机制,结果表明在转基因烟草叶片中SHMT和FDH的同时过量表达不能将甲醛的碳代谢流引入Ser的合成,但却能将甲醛的碳代谢流引入葡萄糖（[U-13C]Gluc）的合成,在烟草中引入了一条新的甲醛代谢途径。SHMT/FDH双转基因烟草叶片甲醛代谢产生[4-13C]Asn、[3-13C]Gln、[U-13C]OA和H13COOH的量大于FDH和SHMT单转基因烟草,说明甲醛胁迫下FDH和SHMT在转基因烟草叶片中的同时过量表达使烟草原有甲醛代谢途径的作用大大增强,这使得SHMT/FDH转基因烟草对液体甲醛的抗性和吸收能力比FDH和SHMT单转基因烟草的强。影响植物修复空气中甲醛污染的主要因素是气孔的生理特性。本研究结果说明在低浓度（3、5、7 ppm）气体甲醛胁迫下三种转基因烟草气孔传导率和开度均显著大于WT,FDH/SHMT双转基因烟草的气孔传导率和开度又显著大于FDH和SHMT单转基因烟草。在5ppm气体甲醛胁迫下,三种转基因烟草的甲醛吸收效率好于WT,SHMT/FDH双转基因烟草的甲醛吸收效率又显著高于FDH和SHMT双转基因烟草,三种转基因烟草叶片内氧化胁迫相关指标包括H202含量比WT低。这些结果说明利光诱导型启动子在烟草叶片中过量表达拟南芥SHMT、FDH能提高转基因烟草气孔对甲醛的抗性,缓解甲醛胁迫在烟草叶片中引起的氧化损伤,提高转基因烟草对气体甲醛的吸收能力,同时过量表达SHMT和FDH的效果比单独过量表达SHMT或FDH好。Western blot分析表明在5ppm气体甲醛胁迫下FDH和SHMT转基因烟草叶片中调控气孔运动的关于成员向光素和质膜（PM）H+-ATPase磷酸化水平高于WT,SHMT/FDH双转基因烟草叶片中这二种蛋白磷酸化水平又高于FDH和SHMT单转基因烟草。免疫共沉淀分析表明5ppm气体甲醛胁迫对FDH和SHMT单转基因烟草叶片中14-3-3蛋白和向光素及PM H+-ATPase互作的抑制小于WT,对SHMT/FDH双转基因烟草叶片中这二种蛋白互作的抑制又小于FDH和SHMT单转基因烟草,因此在5ppm气体甲醛胁迫下三种转基因烟草叶片中PM H+-ATPase活性和H泵活性都大于WT,而FDH/SHMT双转基因烟草叶片PM H+-ATPase活性和H泵活性又显著高于FDH和SHMT转基因烟草。这些结果说明在烟草叶片中过量表达SHMT、FDH可增强气体甲醛胁迫下向光素和PM H+-ATPase的磷酸化水平并增强14-3-3蛋白与这两种蛋白的互作来提高转基因烟草叶片中PM H+-ATPase活性及H泵活性,从而提高气孔开度和传导率并增加气体甲醛的吸收能力,同时过量表达SHMT和FDH的作用比单独过量表达SHMT或FDH的强。