項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    光合作用與固氮作用是生物界兩大基本生命過(guò)程，對(duì)整個(gè)生物圈有十分重要的作用。很多藍(lán)藻可以同時(shí)進(jìn)行光合作用和固氮作用，這在生物界是十分獨(dú)特的。一些絲狀藍(lán)藻在缺氮條件下某些細(xì)胞發(fā)生分化成為異型胞作為固氮場(chǎng)所。異型胞在藍(lán)藻絲狀體上呈有規(guī)則排列，即形成一定的空間格式（pattern formation）。格式形成是多細(xì)胞生物的最重要特征之一，它對(duì)多細(xì)胞體實(shí)行復(fù)雜的功能有十分重要的意義。研究異型胞分化不僅對(duì)研究格式形成的機(jī)理和格式形成起源有重大意義，對(duì)藍(lán)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(xiàng)目從幾個(gè)方面入手，對(duì)異型胞分化過(guò)程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，基因調(diào)控以及光系統(tǒng)1的電子傳遞和光能利用進(jìn)行研究。詳細(xì)研究了異型胞分化中的主開(kāi)關(guān)基因hetR基因及其產(chǎn)物，首次發(fā)現(xiàn)HetR是一個(gè)結(jié)合DNA的絲氨酸蛋白酶。純化了一個(gè)全新的鈣結(jié)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(diào)節(jié)鈣離子濃度中起著關(guān)鍵作用，CcbP的濃度則受到HetR和NtcA的雙重調(diào)節(jié)。對(duì)光系統(tǒng)1的研究方面：光系統(tǒng)1的電子傳遞和藻膽體吸收光能在兩個(gè)光合系統(tǒng)之間分配的調(diào)節(jié)機(jī)理；本項(xiàng)目建立了有效的測(cè)定系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的參與環(huán)式電子傳遞的蛋白FesM，揭示了psaE，ndhF等基因在光能分布調(diào)節(jié)中的作用以及RubA在光系統(tǒng)1的組裝中的作用，研究結(jié)果發(fā)表在重要學(xué)術(shù)刊物上。

本項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文27篇，包括26篇SCI論文，兩篇會(huì)議論文（大會(huì)發(fā)言）。發(fā)表論文中包括《PNAS》三篇。這些論文被Science評(píng)述文章（附件2），《PNAS》論文等引用和評(píng)述，若干篇論文被認(rèn)為是有極重要意義和重要意義的文獻(xiàn)。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(bào)告見(jiàn)附件3）。本項(xiàng)目受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的好評(píng)。在2005年的自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收會(huì)上，趙教授主持的藍(lán)藻異型胞分化項(xiàng)目是唯一獲得全優(yōu)的重點(diǎn)項(xiàng)目，說(shuō)明專家對(duì)此項(xiàng)目的認(rèn)可。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  本項(xiàng)目利用分子生物學(xué)和生物化學(xué)等方法，詳細(xì)研究異型胞分化和異型胞光系統(tǒng)1的功能，對(duì)關(guān)鍵調(diào)控蛋白有深入研究。

1． 對(duì)HetR（異型胞分化主開(kāi)關(guān)基因）進(jìn)行了深入研究，利用重組蛋白技術(shù)獲得了HetR晶體，并發(fā)現(xiàn)HetR有自身降解現(xiàn)象。進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)HetR的降解可能被絲氨酸蛋白酶抑制劑抑制。通過(guò)蛋白測(cè)序、質(zhì)譜分析和定點(diǎn)突變等研究，確認(rèn)了HetR是一個(gè)絲氨酸蛋白酶，第152位絲氨酸是活性絲氨酸位點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)了HetR形成二聚體而且是一個(gè)DNA結(jié)合蛋白。二聚體形成是結(jié)合DNA的前提條件，而HetR結(jié)合DNA又是異型胞分化所必須的。我們的研究還有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，即PatS抑制HetR結(jié)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(chǔ)，為了解格式形成機(jī)理打下了很好的基礎(chǔ)。此外，我們有關(guān)的研究結(jié)果對(duì)異型胞格式形成的機(jī)理研究也有重要貢獻(xiàn)。所屬學(xué)科分類名稱：植物生理學(xué)。支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的代表性論文序號(hào)：1、2、3、5、8。

2． 首次克隆了一個(gè)全新的編碼鈣結(jié)合蛋白的基因ccbP，利用obelin基因，我們發(fā)現(xiàn)在分化的細(xì)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(fā)現(xiàn)Ca2+在異型胞分化中起著關(guān)鍵作用。這是首次發(fā)現(xiàn)Ca2+在原核細(xì)胞分化中起信號(hào)作用，也為揭示Ca2+信號(hào)的起源打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。所屬學(xué)科分類名稱：植物生理學(xué)。支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的代表性論文序號(hào)：9。

3. 發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)胞分化使胞內(nèi)鈣離子濃度的調(diào)節(jié)是由HetR降解CcbP和由NtcA抑制ccbP基因表達(dá)協(xié)同完成的。這是首次發(fā)現(xiàn)HetR蛋白酶底物，對(duì)研究該蛋白酶活性有重要意義。因?yàn)镠etR蛋白酶活性依賴鈣離子，這項(xiàng)成果也揭示了NtcA-HetR相互作用的機(jī)理。所屬學(xué)科分類名稱：植物生理學(xué)。

4. 發(fā)現(xiàn)FesM參與環(huán)式電子傳遞；環(huán)式電子傳遞在光能分布的狀態(tài)調(diào)節(jié)中起到十分重要的作用。所屬學(xué)科分類名稱：植物生理學(xué)。支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的代表性論文序號(hào)：10。

主要完成人：  1.   趙進(jìn)東

是本項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人。在此期間，從研究?jī)?nèi)容的提出、研究方案的確定，到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析總結(jié)及論文寫(xiě)作都起到了關(guān)鍵作用

2.   史運(yùn)明

發(fā)現(xiàn)Ca2+可以影響異型胞分化的頻率。利用多種生物化學(xué)方法，純化了一個(gè)全新的Ca2+結(jié)合蛋白，并克隆了編碼該蛋白的基因ccbp。研究了正在分化細(xì)胞和異型胞中的Ca2+上升的機(jī)理。在該研究中的工作量占本人總工作量的90％以上。

3.   趙衛(wèi)星

發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)胞分化室胞內(nèi)鈣離子濃度的調(diào)節(jié)是由HetR和NtcA協(xié)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(dá)，從而使異型胞中鈣離子濃度上升，啟動(dòng)并完成分化過(guò)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(gè)全新的Ca2+結(jié)合蛋白，并克隆了編碼該蛋白的基因ccbP。過(guò)量表達(dá)這個(gè)基因抑制異型胞分化。刪除ccbP則可以導(dǎo)致多異型胞形成。并發(fā)現(xiàn)Ccbp的作用是將游離的Ca2+結(jié)合起來(lái)調(diào)控Ca2+濃度。構(gòu)建了oblin（一種Ca2+濃度指示蛋白）基因在藍(lán)藻中表達(dá)系統(tǒng)，并首次揭示了正在分化細(xì)胞和異型胞中的Ca2+上升，從而啟動(dòng)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