项目简介：    光合作用与固氮作用是生物界两大基本生命过程，对整个生物圈有十分重要的作用。很多蓝藻可以同时进行光合作用和固氮作用，这在生物界是十分独特的。一些丝状蓝藻在缺氮条件下某些细胞发生分化成为异型胞作为固氮场所。异型胞在蓝藻丝状体上呈有规则排列，即形成一定的空间格式（pattern formation）。格式形成是多细胞生物的最重要特征之一，它对多细胞体实行复杂的功能有十分重要的意义。研究异型胞分化不仅对研究格式形成的机理和格式形成起源有重大意义，对蓝藻的生物固氮研究和碳－氮代谢的相互作用研究也有重要意义。

本项目从几个方面入手，对异型胞分化过程中的信号转导，基因调控以及光系统1的电子传递和光能利用进行研究。详细研究了异型胞分化中的主开关基因hetR基因及其产物，首次发现HetR是一个结合DNA的丝氨酸蛋白酶。纯化了一个全新的钙结合蛋白CcbP，并克隆了该基因，证明异型胞分化中钙离子起着重要作用，而CcbP在调节钙离子浓度中起着关键作用，CcbP的浓度则受到HetR和NtcA的双重调节。对光系统1的研究方面：光系统1的电子传递和藻胆体吸收光能在两个光合系统之间分配的调节机理；本项目建立了有效的测定系统，并发现了一个全新的参与环式电子传递的蛋白FesM，揭示了psaE，ndhF等基因在光能分布调节中的作用以及RubA在光系统1的组装中的作用，研究结果发表在重要学术刊物上。

本项目在国内外有关学术刊物上发表论文27篇，包括26篇SCI论文，两篇会议论文（大会发言）。发表论文中包括《PNAS》三篇。这些论文被Science评述文章（附件2），《PNAS》论文等引用和评述，若干篇论文被认为是有极重要意义和重要意义的文献。至2007年1月，这些论文共被引用263次，其中他引181次（他引检索报告见附件3）。本项目受到了国内外学者的好评。在2005年的自然科学基金委重点项目结题验收会上，赵教授主持的蓝藻异型胞分化项目是唯一获得全优的重点项目，说明专家对此项目的认可。

主要发现点：  本项目利用分子生物学和生物化学等方法，详细研究异型胞分化和异型胞光系统1的功能，对关键调控蛋白有深入研究。

1． 对HetR（异型胞分化主开关基因）进行了深入研究，利用重组蛋白技术获得了HetR晶体，并发现HetR有自身降解现象。进一步深入研究发现HetR的降解可能被丝氨酸蛋白酶抑制剂抑制。通过蛋白测序、质谱分析和定点突变等研究，确认了HetR是一个丝氨酸蛋白酶，第152位丝氨酸是活性丝氨酸位点。在此基础上，我们发现了HetR形成二聚体而且是一个DNA结合蛋白。二聚体形成是结合DNA的前提条件，而HetR结合DNA又是异型胞分化所必须的。我们的研究还有一个重要发现，即PatS抑制HetR结合DNA，从而解释了为什么PatS抑制异型胞分化。而PatS-HetR相互作用则是异型胞格式形成的基础，为了解格式形成机理打下了很好的基础。此外，我们有关的研究结果对异型胞格式形成的机理研究也有重要贡献。所属学科分类名称：植物生理学。支持该发现点的代表性论文序号：1、2、3、5、8。

2． 首次克隆了一个全新的编码钙结合蛋白的基因ccbP，利用obelin基因，我们发现在分化的细胞和成熟异型胞中Ca2+浓度上升，抑制这种Ca2+浓度上升就抑制异型胞分化，从而发现Ca2+在异型胞分化中起着关键作用。这是首次发现Ca2+在原核细胞分化中起信号作用，也为揭示Ca2+信号的起源打下坚实基础。所属学科分类名称：植物生理学。支持该发现点的代表性论文序号：9。

3. 发现蓝藻细胞分化使胞内钙离子浓度的调节是由HetR降解CcbP和由NtcA抑制ccbP基因表达协同完成的。这是首次发现HetR蛋白酶底物，对研究该蛋白酶活性有重要意义。因为HetR蛋白酶活性依赖钙离子，这项成果也揭示了NtcA-HetR相互作用的机理。所属学科分类名称：植物生理学。

4. 发现FesM参与环式电子传递；环式电子传递在光能分布的状态调节中起到十分重要的作用。所属学科分类名称：植物生理学。支持该发现点的代表性论文序号：10。

主要完成人：  1.   赵进东

是本项目的主要负责人。在此期间，从研究内容的提出、研究方案的确定，到实验结果的分析总结及论文写作都起到了关键作用

2.   史运明

发现Ca2+可以影响异型胞分化的频率。利用多种生物化学方法，纯化了一个全新的Ca2+结合蛋白，并克隆了编码该蛋白的基因ccbp。研究了正在分化细胞和异型胞中的Ca2+上升的机理。在该研究中的工作量占本人总工作量的90％以上。

3.   赵卫星

发现蓝藻细胞分化室胞内钙离子浓度的调节是由HetR和NtcA协同完成的。HetR可以特异地降解CcbP，而NtcA可以抑制异型胞中的ccbP基因表达，从而使异型胞中钙离子浓度上升，启动并完成分化过程。在该研究中的工作量占本人总工作量的90％以上。

4.   赵饮虹

纯化了一个全新的Ca2+结合蛋白，并克隆了编码该蛋白的基因ccbP。过量表达这个基因抑制异型胞分化。删除ccbP则可以导致多异型胞形成。并发现Ccbp的作用是将游离的Ca2+结合起来调控Ca2+浓度。构建了oblin（一种Ca2+浓度指示蛋白）基因在蓝藻中表达系统，并首次揭示了正在分化细胞和异型胞中的Ca2+上升，从而启动异型胞分化。在该研究中的工作量占本人总工作量的90％以上。

10篇代表性论文：  1.   Characterization of HetR protein turnover in Anabaena sp. PCC 7120. /Arch Microbiol

2.   Evidence that HetR protein is an unsusal serine-type protease. /Proc Natl Acad Sci USA.

3.   Identification of the active serine of HetR Protease and its requirement of heterocyst differentiation in Anabaena sp. PCC 7120. /J. Bacteriol.

4.  Photosystem stoichiometry and state transitions in a mutant of the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 lacking phycocyanin. /Biochim Biophys Acta (Bioenergetics)

5.   Expression of hetN during heterocyst differentiation and its inhibition of hetR up-regulation in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120. /FEBS Lett

6.   Differential expression and localization of Mn- and Fe-superoxide dismutases in the heterocystous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120./ J Bacteriol

7.   Kinetic Analyses of state transitions of the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 and its mutant strains impaired in electron transport. /Biochim Biophys Acta (Bioenergetics)

8.   HetR homodimer is a DNA-binding protein required for heterocyst differentiation and the DNA-binding activity is inhibited by PatS./ Proc Natl Acad Sci USA.

9.   CcbP, a calcium binding protein from Anabaena sp. PCC 7120, provides evidence that calcium ions regulate heterocyst differentiation. /Proc Natl Acad Sci USA.

10.  FesM, a membrane iron-sulfur protein, is required for cyclic electron flow around photosystem I and photoheterotrophic growth of the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002. /Plant Physiol