項目簡介：    光合作用與固氮作用是生物界兩大基本生命過程，對整個生物圈有十分重要的作用。很多藍藻可以同時進行光合作用和固氮作用，這在生物界是十分獨特的。一些絲狀藍藻在缺氮條件下某些細胞發生分化成為異型胞作為固氮場所。異型胞在藍藻絲狀體上呈有規則排列，即形成一定的空間格式（pattern formation）。格式形成是多細胞生物的最重要特征之一，它對多細胞體實行復雜的功能有十分重要的意義。研究異型胞分化不僅對研究格式形成的機理和格式形成起源有重大意義，對藍藻的生物固氮研究和碳－氮代謝的相互作用研究也有重要意義。

本項目從幾個方面入手，對異型胞分化過程中的信號轉導，基因調控以及光系統1的電子傳遞和光能利用進行研究。詳細研究了異型胞分化中的主開關基因hetR基因及其產物，首次發現HetR是一個結合DNA的絲氨酸蛋白酶。純化了一個全新的鈣結合蛋白CcbP，并克隆了該基因，證明異型胞分化中鈣離子起著重要作用，而CcbP在調節鈣離子濃度中起著關鍵作用，CcbP的濃度則受到HetR和NtcA的雙重調節。對光系統1的研究方面：光系統1的電子傳遞和藻膽體吸收光能在兩個光合系統之間分配的調節機理；本項目建立了有效的測定系統，并發現了一個全新的參與環式電子傳遞的蛋白FesM，揭示了psaE，ndhF等基因在光能分布調節中的作用以及RubA在光系統1的組裝中的作用，研究結果發表在重要學術刊物上。

本項目在國內外有關學術刊物上發表論文27篇，包括26篇SCI論文，兩篇會議論文（大會發言）。發表論文中包括《PNAS》三篇。這些論文被Science評述文章（附件2），《PNAS》論文等引用和評述，若干篇論文被認為是有極重要意義和重要意義的文獻。至2007年1月，這些論文共被引用263次，其中他引181次（他引檢索報告見附件3）。本項目受到了國內外學者的好評。在2005年的自然科學基金委重點項目結題驗收會上，趙教授主持的藍藻異型胞分化項目是唯一獲得全優的重點項目，說明專家對此項目的認可。

主要發現點：  本項目利用分子生物學和生物化學等方法，詳細研究異型胞分化和異型胞光系統1的功能，對關鍵調控蛋白有深入研究。

1． 對HetR（異型胞分化主開關基因）進行了深入研究，利用重組蛋白技術獲得了HetR晶體，并發現HetR有自身降解現象。進一步深入研究發現HetR的降解可能被絲氨酸蛋白酶抑制劑抑制。通過蛋白測序、質譜分析和定點突變等研究，確認了HetR是一個絲氨酸蛋白酶，第152位絲氨酸是活性絲氨酸位點。在此基礎上，我們發現了HetR形成二聚體而且是一個DNA結合蛋白。二聚體形成是結合DNA的前提條件，而HetR結合DNA又是異型胞分化所必須的。我們的研究還有一個重要發現，即PatS抑制HetR結合DNA，從而解釋了為什么PatS抑制異型胞分化。而PatS-HetR相互作用則是異型胞格式形成的基礎，為了解格式形成機理打下了很好的基礎。此外，我們有關的研究結果對異型胞格式形成的機理研究也有重要貢獻。所屬學科分類名稱：植物生理學。支持該發現點的代表性論文序號：1、2、3、5、8。

2． 首次克隆了一個全新的編碼鈣結合蛋白的基因ccbP，利用obelin基因，我們發現在分化的細胞和成熟異型胞中Ca2+濃度上升，抑制這種Ca2+濃度上升就抑制異型胞分化，從而發現Ca2+在異型胞分化中起著關鍵作用。這是首次發現Ca2+在原核細胞分化中起信號作用，也為揭示Ca2+信號的起源打下堅實基礎。所屬學科分類名稱：植物生理學。支持該發現點的代表性論文序號：9。

3. 發現藍藻細胞分化使胞內鈣離子濃度的調節是由HetR降解CcbP和由NtcA抑制ccbP基因表達協同完成的。這是首次發現HetR蛋白酶底物，對研究該蛋白酶活性有重要意義。因為HetR蛋白酶活性依賴鈣離子，這項成果也揭示了NtcA-HetR相互作用的機理。所屬學科分類名稱：植物生理學。

4. 發現FesM參與環式電子傳遞；環式電子傳遞在光能分布的狀態調節中起到十分重要的作用。所屬學科分類名稱：植物生理學。支持該發現點的代表性論文序號：10。

主要完成人：  1.   趙進東

是本項目的主要負責人。在此期間，從研究內容的提出、研究方案的確定，到實驗結果的分析總結及論文寫作都起到了關鍵作用

2.   史運明

發現Ca2+可以影響異型胞分化的頻率。利用多種生物化學方法，純化了一個全新的Ca2+結合蛋白，并克隆了編碼該蛋白的基因ccbp。研究了正在分化細胞和異型胞中的Ca2+上升的機理。在該研究中的工作量占本人總工作量的90％以上。

3.   趙衛星

發現藍藻細胞分化室胞內鈣離子濃度的調節是由HetR和NtcA協同完成的。HetR可以特異地降解CcbP，而NtcA可以抑制異型胞中的ccbP基因表達，從而使異型胞中鈣離子濃度上升，啟動并完成分化過程。在該研究中的工作量占本人總工作量的90％以上。

4.   趙飲虹

純化了一個全新的Ca2+結合蛋白，并克隆了編碼該蛋白的基因ccbP。過量表達這個基因抑制異型胞分化。刪除ccbP則可以導致多異型胞形成。并發現Ccbp的作用是將游離的Ca2+結合起來調控Ca2+濃度。構建了oblin（一種Ca2+濃度指示蛋白）基因在藍藻中表達系統，并首次揭示了正在分化細胞和異型胞中的Ca2+上升，從而啟動異型胞分化。在該研究中的工作量占本人總工作量的90％以上。

10篇代表性論文：  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