全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (6): 821~828　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0579 821
收稿 2015-04-07　　修定 2015-05-08
资助 江苏省水产三新项目(Y2014-40)、国家海洋公益项目子
课题(201505023-23)、江苏省中国科学院植物研究所所基
金(YT201402)。
* 通讯作者(E-mail: shuishengzu@126.com; Tel: 025-
84347087)。
蓝藻中氮同化及其调控的研究进展
常雅军, 刘晓静, 姚东瑞*
江苏省·中科院植物研究所(中山植物园), 南京210014
摘要: 蓝藻是地球上规模最大、最重要的微生物之一, 具有光合作用特性, 在水体和陆地环境中分布广泛, 其氮同化对地球
氮循环至关重要。自然界中常见的含氮化合物如硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐可被大多数蓝藻同化利用。一些蓝藻也可将大
气N2、尿素、氰酸酯、精氨酸和谷氨酰胺等作为氮源来利用。然而, 为确保氮同化过程的有序进行, 蓝藻对含氮化合物的
同化利用在基因或蛋白水平上受到了相应的调控。文章概述了蓝藻对自然界中3种主要的化合态氮源(硝酸盐、亚硝酸盐
和铵盐)的同化及其调控机制和研究进展, 旨在为光合作用生物有机体在氮代谢方面的研究提供参考依据。
关键词: 蓝藻; 氮吸收; 氮同化; 氮调控
Nitrogen Assimilation and Nitrogen Control in Cyanobacteria
CHANG Ya-Jun, LIU Xiao-Jing, YAO Dong-Rui*
Institute of Botany, Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210014, China
Abstract: Cyanobacteria are one of the largest and most important groups of bacteria on earth. They are char-
acterized by the ability to perform oxygenic photosynthesis and found in both aquatic and terrestrial environ-
ments. Nitrogen assimilation in cyanobacteria plays a key role for the nitrogen cycle on earth. Most cyanobac-
teria can use nitrate, nitrite and ammonium as nitrogen source and some strains of cyanobacteria are able to
utilize urea, cyanate or some amino acids. However, all kinds of nitrogen sources need to be uptaken to the cells
of cyanobacteria before assimilation by specific nitrogen transporter, and are finally incorporated into carbon
skeleton of 2-oxoglutarate after enzymes reduction. Transporters and enzymes involved in nitrogen assimilation
are regulated in gene or protein expression level to ensure orderly processes of the nitrogen assimilation in the
cells. In this review, we summarized latest research progresses in cyanobacteria for the assimilation of nitrate,
nitrite and ammonium and its regulation, so as to provide valuable information for further study on the nitrogen
metabolism in other photosynthesis organisms.
Key words: cyanobacteria; nitrogen uptake; nitrogen assimilation; nitrogen regulation
蓝藻(cyanobacteria)是地球上规模最大、最重
要的微生物之一, 也是具有光合作用特性的低等
植物。蓝藻在生物化学及分子生物学上具有叶绿
体的起源之称, 由于其与叶绿体的相似性, 以及在
遗传操作上的简便性, 渐渐成为研究由光合作用
驱动的物质及能量代谢的最佳材料之一。近年来,
随着分子生物学和细胞生物学的发展, 人们已经
认识到光合作用不仅仅是局限于植物叶绿体的反
应, 而是基于细胞内部器官间、组织间、细胞间
相互作用的一系列复杂反应。光合作用也并非单
指碳的同化, 还涉及氮、磷、硫等一系列无机离
子的同化。这些无机离子的同化与光合作用的启
动相互依赖, 尤其是氮素的同化是确保光合作用
蛋白合成所必需的。因此, 植物体的氮素同化作
用与光合作用一样的古老, 在植物的物质和能量
代谢中具有不可替代的地位。
一般而言, 大多数蓝藻可同化铵盐、硝酸盐
和亚硝酸盐等常见的化合态氮源, 也有一些蓝藻
可将大气N2、尿素、氰酸盐、精氨酸和谷氨酰胺
作为氮源利用(Flores和Herrero 1994; Miller和Espie
1994; Harano等1997; Collier等1999)。然而, 蓝藻
对任何氮源的同化利用都需要其细胞膜上存在特
异的转运蛋白, 通过转运蛋白将环境中相应的含
氮化合物运转至细胞内, 再由细胞内特定的氧化
植物生理学报822
还原酶将其转换为铵。如图1所示, 硝酸盐和亚硝
酸盐由特定的转运蛋白(nitrate transporter, NRT)运
输至细胞内, 然后由细胞内的硝酸还原酶(nitrate
reductase, NR)和亚硝酸还原酶(nitrite reductase,
NIR)相继作用转化为铵(Omata 1991; Omata等
1989, 1993; Rodríguez等1992; Luque等1994b); 大
气中的氮(N2)由固氮酶作用转化为铵(Flores和Her-
rero 1994); 尿素由主动运输蛋白(urea transporter,
URT)运输至细胞内, 并通过Ni2
+-依赖的尿素酶降
解为铵和CO2 (Flores和Herrero 1994; Collier等
1999; Valladares等2002); 氰酸盐由ABC-型主动运
输蛋白(cyanate transporter, CYT)运输至细胞内, 再
由胞内的氰酸酶降解为铵和CO2 (Espie等2007;
Maeda和Omata 2009); 精氨酸可由鸟氨酸循环和精
氨酸酶共同作用分两路将其分解代谢(Flores和
Herrero 1994; Quintero等2000)。在蓝藻细胞内, 无
论是从外界环境中直接吸取的铵, 还是由细胞内
其他含氮化合物还原或降解产生的铵, 最终经由
谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)和谷氨
酸合成酶(glutamate synthase, GOGAT)的作用结合
到碳骨架2-酮戊二酸(2-oxoglutarate, 2-OG)上合成
有机物(图1) (Muro-Pasto等2005)。也就是说, 蓝藻
的氮同化代谢过程最终经GS-GOGAT循环与光合
碳代谢相联系, 来源于三羧酸循环(tricarboxylic acid
cycle, TCA)的2-OG不仅是蓝藻氮素同化代谢的碳
骨架, 也是碳、氮同化代谢的一个连接枢纽。
图1 蓝藻中氮同化的主要路径
Fig.1 Main nitrogen assimilation pathways in cyanobacteria
NRT: 硝酸盐/亚硝酸盐转运蛋白; URT: 尿素转运蛋白; CYT: 氰酸盐转运蛋白; AMT: 铵态氮转运蛋白; NR: 硝酸还原酶; NIR: 亚硝酸
还原酶; Glu: 谷氨酸; Gln: 谷氨酰胺; GS: 谷氨酰胺合成酶; GOGAT: 谷氨酸合成酶; 2-OG: 2-酮戊二酸; TCA循环: 三羧酸循环。
然而, 蓝藻为了维持其胞内的碳、氮平衡和
氨基酸累积的动态平衡, 胞内氮素转化为铵离子
以及铵离子与2-OG的结合过程在基因或蛋白水平
上均受到相应的调控, 为了更好地理解蓝藻氮同
化及其调控过程的分子生物学机制, 本文概述了
蓝藻对自然界中3种常见的化合态氮源(硝酸盐、
亚硝酸盐和铵盐)的同化及其调控机制和研究进
展, 这对进一步认识光合作用有机体对氮元素的
综合利用机制有重要的生理生态意义。
1 蓝藻中硝酸盐的同化及调控
1.1 硝酸盐转运蛋白的类型
在自然环境中, 硝酸盐通常以相对较低的丰
常雅军等: 蓝藻中氮同化及其调控的研究进展 823
度(以µmol·L-1为单位)存在, 所以能同化硝酸盐的
生物体其细胞膜上都具有相应的主动运输蛋白。
迄今为止, 在蓝藻中发现了两种类型的硝酸盐主
动运输蛋白: 一种是属于原核型的主动运输蛋白,
即ABC型NRT, 它包含NrtA、NrtB、NrtC和NrtD
四个组件蛋白(Omata等1993; Omata 1995); 另一种
是属于MFS家族的转运蛋白, 即由nrtP基因编码的
MFS型NRT (Sakamoto等1999; Wang等2000; Aichi
等2006; Lochab等2014), 它类似于真核生物的
NRT2 (Forde 2000)。ABC型NRT和MFS型NRT均
属于硝酸盐和亚硝酸盐双特异性转运蛋白, ABC型
NRT对硝酸盐和亚硝酸盐的亲和力均较高, 其Km
值为1 µmol·L-1 (Maeda和Omata 1997), 而MFS型
NRT对硝酸盐的亲和力(Km=1 µmol·L
-1)远比亚硝
酸盐的高(Km=15 µmol·L
-1) (Aichi等2006)。
具有硝酸盐同化能力的蓝藻, 除Nostoc punc-
tiforme ATCC29133外, 其余淡水蓝藻都携带ABC
型NRT (Ohashi等2011), 而对海水蓝藻而言, 大多
数携带MFS型NRT (Scanlan等2009), 说明蓝藻中不
同类型硝酸盐转运蛋白的分配与其生长的环境有
极大的关系。此外 , 在同一蓝藻菌株中发现了
ABC型NRT和MFS型NRT共存的现象, 如淡水藻
Arthrospira polantensis NIES39, A. polantensis
PCC7345, Cyanothece sp. strains PCC7424、
PCC8801和PCC8802 (Ohashi等2011; Lochab等
2014), 虽然对其存在的机理尚不清楚, 但两者的共
存必将提高蓝藻对外界环境变化的适应能力。
1.2 硝酸盐的同化及其调控
蓝藻对硝酸盐的同化主要包括环境中的硝酸
盐被蓝藻细胞膜上的NRT吸收至细胞内, 接着胞内
的硝酸盐被NR和NIR相继作用还原为铵离子
(Omata 1991; Omata等1993; Rodríguez等1992;
Luque等1994b), 最后铵离子经GS和GOGAT作用
结合到2-OG上(Muro-Pasto等2005)。
目前, 有关硝酸盐同化过程的调控研究主要
围绕淡水蓝藻而展开。首先, 编码硝酸盐转运蛋
白及其还原酶的基因在表达水平受到不同氮源的
调控。淡水蓝藻所携带的ABC型NRT由nrtA、
nrtB、nrtC和nrtD四个基因编码, 这些基因与编码
NR的基因nirA和NIR的基因narB通常以操纵子ni-
rA-nrtABCD-narB的形式存在(Andriesse等1990;
Luque等1993; Suzuki等1993)。因此, 这些基因的
表达调控具有一致性, 即当此类蓝藻生长在亚硝
酸盐的环境中, 这些基因的表达均被促进(Kikuchi
等1996; Aichi等2001); 而当其生长在铵离子或谷
氨酰胺的环境中时 , 这些基因的表达均被抑制
(Krouk等2010)。其次, 蓝藻硝酸盐的同化受到
NtcA的调控。NtcA是属于细菌家族的转录因子,
其结构与分解代谢基因的活化蛋白CAP相似, 能识
别和结合到所调节基因的启动子上来激活基因的
转录, 它所标识的序列为GTAN8TAC (位于启动
子-10盒子上游的22个碱基处) (Luque等1994a; Her-
rero等2001; Vázquez-Bermúdez等2002a)。再者,
Aichi等发现, 转录调节因子NtcB也可促进与蓝藻
硝酸同化有关的基因的转录(Aich和Omata 1997;
Aichi等2001)。与NtcA一样, NtcB可与所调节基因
的启动子相结合, 但其识别的位点保守性较低, 序
列为: ATGC-N7-GCAT-N7-ATGC-N7-GCAT-N15-
GTA-N8-TAC-N22/23-TAN3T (Ohashi等2011)。因
组成硝酸盐同化的操纵子基因 ( n i r A - n r t A B -
CD-narB)的启动子上都存在GTAN8TAC和ATGC-
N7-GCAT-N7-ATGC-N7-GCAT-N15-GTA-N8-
TAC-N22/23-TAN3T序列, 因而这些基因的转录均
可被NtcA和NtcB激活或调节(Ohashi等2011)。此
外, 因2-OG可促进NtcA与它的调控基因启动子的
结合(Tanigawa等2002; Vázquez-Bermúdez等2002b;
Valladares等2008), 而信号转导蛋白PII是处于氮胁
迫环境下蓝藻的NtcA结合氮同化相关基因所必需
的(Paz-Yepes等2003; Aldehni等2003), 因此硝酸盐
的同化在基因水平上受到2-OG和PII的间接调控
(van den Heuvel等2004; Forchhammer和Tandeau de
Marsac 1994)。最后, 当蓝藻Synechococcus elongatus
PCC 7942生长在铵离子的条件下时, 细胞内ABC
型NRT和NR的活性均被抑制, 而当细胞内的PII被
敲除时, 这种阻止效应完全消失(Lee等1998; Ko-
bayashi等2005; Takatani和Omata 2006)。由此可见,
蓝藻硝酸盐的同化在蛋白水平上也受到PII的调控。
2 蓝藻中亚硝酸盐的同化及其调控
2.1 亚硝酸盐转运蛋白的类型
在蓝藻细胞中, 亚硝酸盐既可是硝酸盐同化
的中间产物, 也可被添加在培养基中作为良好的
氮源被利用。由于亚硝酸盐呈弱酸性(pKa=3.15),
植物生理学报824
这使得它从细胞外进入细胞内的方式通常有两种:
一种是主动运输, 另一种是以亚硝酸盐的质子化
形式(HNO2)被动扩散。由于HNO2的被动扩散速
率随着基质中pH的升高和亚硝酸盐浓度的降低而
降低, 所以通过被动扩散进入蓝藻细胞的亚硝酸
盐对细胞中亚硝酸盐的净吸收的贡献可忽略不计
(Flores等1987; Maeda等1998)。
迄今为止, 在蓝藻中发现了3种可主动运输亚
硝酸盐的转运蛋白, 即ABC型NRT、MFS型NRT和
ABC型CYT。如前所述, ABC型NRT和MFS型NRT
均属于硝酸盐和亚硝酸盐的双特异转运蛋白, 而
ABC型CYT是基因cynABD编码的氰酸盐/亚硝酸
盐的双特异转运蛋白(Espie等2007; Maeda和Omata
2009)。与MFS型NRT一样, ABC型CYT对氰酸盐
的亲和力(Km=0.025 µmol·L
-1)远大于其对亚硝酸盐
的亲和力(Km=20 µmol·L
-1)。因此, ABC型CYT对
亚硝酸盐的运输会受到氰酸盐的竞争抑制。此外,
在一些海洋蓝藻中, 还发现了专门运输亚硝酸盐
的特异转运蛋白FocA (Scanlan等2009)。
如前所述, 可运输亚硝酸盐的ABC型NRT和
MFS型NRT分别出现在淡水蓝藻中和海洋蓝藻
中。就ABC型CYT而言, Maeda和Omata (2009)通
过对33个蓝藻基因组进行对比发现, 仅有6种携带
ABC型CYT的编码基因cynABD, 其中包括淡水藻
S. elongatus strains PCC7942和PCC6301, 海洋藻
Synechococcus sp. strains PCC7002、WH8102、P.
marinus strain MED4和Acaryochloris marina。然
而, 在这6种蓝藻基因组的5种中, 编码ABC型CYT
的基因cynABD与编码氰酸酶的基因cynS以操纵子
cynABDS的形式存在, 说明ABC型CYT在蓝藻中主
要负责氰酸盐的运输, 而对亚硝酸盐的运输贡献
有待于进一步的验证。除此之外, Ohashi等(2011)
在10种海洋聚球藻的基因组中发现了编码亚硝酸
盐特异性转运蛋白的基因focA, 其中Synechoccocus
sp. PCC7002、CC9605、CC9902、CC9311、
WH7803和RCC307中同时存在编码MFS型NRT的
基因nrtP和特异转运蛋白的基因focA。这可能是
因为蓝藻中MFS型NRT对亚硝酸盐的利用会受
到硝酸盐的抑制引起(Aichi等2006)。从环境进
化的角度分析, MFS型NRT和FocA在海洋聚球藻
中的共存对亚硝酸盐的利用具有重要的生理生态
意义。
2.2 亚硝酸盐的同化及其调控
蓝藻细胞内亚硝酸盐的来源主要有两种, 一
种来源于硝酸盐同化的中间产物, 另一种是直接
从外界环境中摄取。因亚硝酸盐具有很强的毒性,
其在蓝藻细胞内的积累往往会造成蓝藻的死亡,
所以蓝藻必须保持亚硝酸盐在其细胞内的代谢平
衡以确保它的正常生长。
首先, 蓝藻中MFS型NRT或ABC型CYT对亚
硝酸盐的转运分别受到基质底物硝酸盐或氰酸盐
的抑制(Maeda和Omata 1997, 2009)。其次, NR和
NIR的活性必须保持相对的平衡, 研究发现铵态氮
的出现会阻止蓝藻NR的活性, 而PII的参与是这种
阻止效应所必需的, 说明蓝藻PII对NR的活性具有
调控功能(Lee等1998; Kobayashi等2005)。再者,
Suzuki等(1995)揭示, 蓝藻S. elongatus PCC7942中
NirB的缺失会导致NIR的活性降低50%, 而nirB基
因在蓝藻S. elongatus和Anabaena sp. strain PCC
7120中均存在(Frias和Flores 2010), 说明蓝藻中
NirB蛋白是保证NIR发挥最大活性所必需的。此
外, 蓝藻细胞自身也有很强的防卫机制, 当胞内亚
硝酸盐浓度达到一定的水平时, 细胞会将部分亚
硝酸盐直接渗透到胞外以免受其毒害(Suzuki等
1995; Kloft和Forchhammer 2005; Kobayashi等
2005; Frias和Flores 2010)。还有, 由于编码ABC型
CYT的基因cynABD、编码ABC型NRT的基因
nrtABCD以及编码NIR的基因nirA都可被NtcA所激
活, 也可被NtcB所调节(Paz-Yepes等2003; Aldehni
等2003), 因而蓝藻亚硝酸盐的同化在基因水平上
也受到NtcA和NtcB的调控。
如前所述, 蓝藻中ABC型NRT在蛋白水平上
受到PII的调控, 而亚硝酸盐又是ABC型NRT的底物
之一, 因此它对亚硝酸盐的转运同样受到PII的调
控。最近, Chang等(2013)研究发现, 铵态氮也会对
蓝藻ABC型CYT的活性起抑制作用, 而PII蛋白的
缺失会使这种抑制效应极大地缓解(达到50%), 说
明蓝藻中ABC型CYT对亚硝酸盐的转运在蛋白水
平上不仅受到PII的调控, 还受到其他未知因素的影
响或控制。
3 蓝藻中铵盐的同化及其调控
3.1 铵态氮转运蛋白(ammonium transporter,
AMT)
铵是氮元素最具还原态的无机态存在形式,
常雅军等: 蓝藻中氮同化及其调控的研究进展 825
在高浓度和碱性条件下, 很大一部分铵以氨气的
形式存在, 而氨气可以通过生物膜来扩散(Rigano
等1987)。然而, 在自然水体环境中, 自由铵离子通
常以较低的浓度存在, 蓝藻细胞膜上均存在主动
运输蛋白AMT (http://www.kazusa.or.jp/cyanobase/)
与此环境相适应。Montesinos等(1998)在蓝藻Syn-
echocystis sp. PCC6803中发现了可编码AMT的3个
同源基因: amt1、amt2和amt3, 但在构建amt突变
体发现, 由amt1编码的AMT负责95%甲基铵的运
输, 因蓝藻细胞中甲基铵的运输系统就是铵离子
的运输体系(Rai等1984; Boussiba等1984; Muro-
Pastor等2005), 因而铵离子转运蛋白多指由amt1编
码的AMT蛋白。
在蓝藻中 , 铵离子即可通过谷氨酸脱氢酶
(glutamate dehydrogenase, GDH)与碳骨架结合, 也
可通过GS和GOGAT的相继作用与碳骨架结合。
然而, 利用同位素标记研究发现, GS-GOGAT循环
是蓝藻细胞中铵离子结合到碳骨架的主要途径
(Wolk等1976; Meeks等1978)。这一结论也印证了
先前的研究, 即在蓝藻细胞的培养基中添加GS的
活性抑制剂MSX (L-methionine-DL-sulphoximine),
发现铵的同化过程被MSX有效地抑制(Stewart和
Rowell 1975)。所以, 蓝藻铵同化过程就是将胞内
铵离子通过GS-GOGAT路径结合到2-OG上合成相
应有机物的过程。
3.2 铵同化的调控
对于蓝藻而言, 除了最具还原态的铵态氮外,
其他化合态氮都需被还原为铵后才可与2-OG结
合, 这一过程需要细胞消耗一定的能量。因此, 铵
是蓝藻细胞最嗜好的氮源, 当铵离子可被细胞利
用时, 其他含氮化合物的同化会被阻止。然而, 为
了维持细胞内的碳、氮平衡和氨基酸累积的动态
平衡, 蓝藻对铵盐的同化利用在基因和蛋白水平
上也受到相应的调控。
首先, 编码AMT的基因amt1上存在可被NtcA
识别的GTAN8TAC序列, 它的表达受到NtcA的调
控(Montesinoset等1998; Vázquez-Bermúdez等
2002c)。其次, 蓝藻中催化铵离子和谷氨酸进行反
应的GS的编码基因也受到NtcA调控(Herrero等
2001)。因为在蓝藻中, 编码GSI和GSIII的基因
glnA和glnN的启动子上均存在可被NtcA识别的
GTAN8TAC序列(Stacey等1977; Reyes和Florencio
1994; Florencio和Reyes 2002; Herrero等2001)。此
外, 通过提供2-OG而促进氮同化的异柠檬酸脱氢
酶(isocitrate dehydrogenase, IDH)的编码基因icd也
受到NtcA的调控(Muro-Pastor等1996)。由此可见,
NtcA可通过协调GS-GOGAT路径和控制碳骨架的
供应来调控铵离子的同化过程。不仅如此, 在蓝
藻Synechocystis sp. PCC6803中, NtcA还可控制IF7
和IF17的表达(Muro-Pastor等2005), 而这两个蛋白
可通过直接的相互作用来抑制 G S的活性
(García-Domínguez等1999), 所以NtcA通过调节GS
的活性在蛋白水平上调控铵离子的同化。另外,
由于PII是NtcA发挥作用所必需的, 而编码AMT的
基因amt1属于NtcA的调控基因, 因此, PII在与铵同
化有关的调控中也发挥着至关重要的作用。
4 展望
蓝藻是地球上最早的光合放氧生物, 它的氮
同化对地球氮循环具有至关重要的作用。硝酸
盐、亚硝酸盐和铵盐可被大多数蓝藻所同化利用,
大量研究已表明, 蓝藻对这些氮源的同化只有在
基因或蛋白水平上受到相应的调控才能确保氮同
化的有序进行。实际上, 蓝藻氮同化的调控过程
与其胞内合成有机物的氮、碳水平紧密相关, 且
2-OG的浓度会对细胞内的氮水平做出快速的响应
(Muro-Pastor和Flores 2001)。在氮不足的条件下,
2-OG会快速积累, 造成细胞内2-OG浓度升高, 而
高浓度的2-OG分子不仅可与PII结合, 也可与转录
调节因子NtcA结合。一方面, 2-OG与PII蛋白的结
合会阻止PII与其他蛋白之间的相互作用; 另一方
面, 2-OG与转录调节因子NtcA的结合可促进NtcA
与其氮同化相关基因启动子的结合, 从而促进这
些基因的转录和表达。这些基因包括编码ABC型
NRT的基因nrtABCD、编码NR和NIR的基因nirA
和narB、编码ABC型CYT的基因cynABD、编码氰
酸还原酶的基因cynS、编码NirB的基因nirB、编
码AMT的基因amt1、编码GS的基因glnA或glnN、
编码PII的基因glnB以及编码NtcA的基因ntcA (图
2)。在氮充足的条件下, 蓝藻体内的2-OG的浓度
会迅速降低, 造成胞内可与PII蛋白相结合的2-OG
分子不足, 使得过剩的游离态PII可与其他氮同化相
关的蛋白相互作用, 从而阻止这些蛋白(如ABC型
NRT、NR及ABC型CYT)的活性。总的来说, 目前
揭示的蓝藻中调控氮同化的因素有NtcA对氮同化
植物生理学报826
相关基因在转录表达水平的直接调控; 2-OG对氮
同化相关的基因在转录表达水平上的间接调控; PII
对氮同化相关基因在转录水平上的间接调控, 以
及对氮同化相关蛋白在表达水平上的调控; PipX
通过介导蓝藻氮素代谢平衡调节蛋白PII和全局氮
代谢调控因子NtcA参与氮素同化的间接调控过程
(Espinosa等2006, 2007); 此外, 还涉及亚硝酸根离
子和NtcB在转录水平上对与硝酸盐同化的特定路
径的调控。
近年来, 尽管有关蓝藻氮同化及调控方面的
研究已取得很大进展, 但诸多问题仍有待于进一
步解决: (1)虽已发现PII对ABC型NRT和NR在翻译
后水平上具有调控功能, 但其调控的分子生物学
机理还有待于阐明。(2) ABC型CYT的活性除了受
到PII蛋白在翻译后水平上的调控之外, 还受到其他
未知因素的影响或控制, 这些未知因素有待于进
一步的研究。(3)蓝藻基因组序列的对比研究已表
明ABC型CYT在蓝藻中主要负责氰酸盐的运输,
那么, 它对亚硝酸盐的吸收作用和其生理意义还
有待于进一步验证和发掘。(4)目前氮同化及调控
方面的研究多集中在淡水蓝藻, 而自然界中海洋
藻的分布更为广泛, 因而今后开展对海洋藻氮同
化过程的研究不仅对阐明蓝藻中氮同化机理至关
重要 , 也对地球氮循环方面的研究具有重要意
义。(5)最近, Espinosa等(2014)从遗传学和转录组
学的角度发现, PipX蛋白是蓝藻生命活动的全局
调节子, 它在蓝藻氮同化方面的的功能还需要进
一步挖掘。
参考文献
Aichi M, Omata T (1997). Involvement of NtcB, a LysR family tran-
scription factor in nitrite activation of the nitrate assimilation op-
eron in the cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7942.
J Bacteriol, 179: 4671~4675
Aichi M, Takatani N, Omata T (2001). Role of NtcB in activation of
the nitrate assimilation genes in the cyanobacterium Synechocys-
tis sp. strain PCC 6803. J Bacteriol, 183: 5840~5847
Aichi M, Yoshihara S, Yamashita M, Maeda S, Nagai K, Omata T
(2006). Characterization of the nitrate-nitrite transporter of the
major facilitator superfamily (the nrtP gene product) from the
cyanobacterium Nostoc punctiforme strain ATCC 29133. Biosci
Biotechnol Biochem, 70: 2682~2689
Aldehni MF, Sauer J, Spielhaupter C, Schmid R, Forchhammer K
(2003). Signal transduction protein PII is required for NtcA-reg-
ulated gene expression during nitrogen deprivation in the cyano-
bacterium Synechococcus elongatus strain PCC 7942. J Bacteri-
ol, 185: 2582~2591
Andriesse X, Bakker H, Weisbeek P (1990). Analysis of nitrate reduc-
tion genes in cyanobacteria. In: Ullrich WR, Rigano C, Fuggi A,
Aparicio PJ (eds). Inorganic Nitrogen in Plants and Microorgan-
isms. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 303~307
图2 蓝藻中氮同化的主要调控过程
Fig.2 Main regulation of nitrogen assimilation in cyanobacteria
常雅军等: 蓝藻中氮同化及其调控的研究进展 827
Boussiba S, Dilling W, Gibson J (1984). Methylammonium transport
in Anacystis nidulans R-2. J Bacteriol, 160: 204~210
Chang Y, Takatani N, Aichi M, Maeda S, Omata T (2013). Evaluation
of the effects of PII-deficiency and the toxicity of PipX on growth
characteristics of the PII-less mutant of the cyanobacterium Syn-
echococcus elongatus. Plant Cell Physiol, 54: 1504~1514
Collier JL, Brahamsha B, Palenik B (1999). The marine cyanobac-
terium Synechococcus sp. WH7805 requires urease (urea ami-
dohydrolase, EC 3.5.1.5) to utilize urea as a nitrogen source:
molecular-genetic and biochemical analysis of the enzyme. Mi-
crobiology, 145: 447~459
Espie GS, Jalali F, Tong T, Zacal NJ, So AK (2007). Involvement of
the cynABDS operon and the CO2-concentrating mechanism in
the light-dependent transport and metabolism of cyanate by cya-
nobacteria. J Bacteriol, 189: 1013~1024
Espinosa J, Forchhammer K, Burillo S, Contreras A (2006). Interac-
tion network in cyanobacterial nitrogen regulation: PipX, a pro-
tein that interacts in a 2-oxoglutarate dependent manner with PII
and NtcA. Mol Microbiol, 61: 457~469
Espinosa J, Forchhammer K, Contreras A (2007). Role of the Syn-
echococcus PCC 7942 nitrogen regulator protein PipX in Nt-
cA-controlled processes. Microbiology, 153: 711~718
Espinosa J, Rodríguez-Mateos F, Salinas P, Lanza VF, Dixon R,
Fernando de la C, Contreras A (2014). PipX, the coactivator of
NtcA, is a global regulator in cyanobacteria. Proc Natl Acad Sci
USA, 10: 2423~2430
Florencio FJ, Reyes JC (2002). Regulation of ammonium assimilation
in cyanobacteria. In: Foyer CH, Noctor G (eds). Photosynthetic
Nitrogen Assimilation and Associated Carbon and Respiratory
Metabolism. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic
Publisers, 93~113
Flores E, Herrero A (1994). Assimilatory nitrogen metabolism and
its regulation. In: Bryant DA (ed). The Molecular Biology of
Cyanobacteria. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic
Publishers, 87~51
Flores E, Herrero A, Guerrero MG (1987). Nitrite uptake and its
regulation in the cyanobacterium Anacystis nidulans. Biochim
Biophys Acta, 896: 103~108
Forchhammer K, Tandeau de Marsac N (1994). The PII protein in the
cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7942 is modified
by serine phosphorylation and signals the cellular N-status. J
Bacteriol, 176: 84~91
Forde BG (2000). Nitrate transporters in plants: structure, function
and regulation. Biochim Biophys Acta, 1465: 219~235
Frias JE, Flores E (2010). Negative regulation of expression of the
nitrate assimilation nirA operon in the heterocyst-forming cya-
nobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120. J Bacteriol, 192:
2769~2778
García-Domínguez M, Reyes JC, Florencio FJ (1999). Glutamine
synthetase inactivation by protein-protein interaction. Proc Natl
Acad Sci USA, 96: 7161~7166
Harano Y, Suzuki I, Maeda SI, KanekoT, Tabata S, Omata T (1997).
Identification and nitrogen regulation of the cyanase gene from
the cyanobacteria Synechocystis sp. strain PCC 6803 and Syn-
echococcus sp. strain PCC 7942. J Bacteriol, 179: 5744~5750
Herrero A, Muro-Pastor AM, Flores E (2001). Nitrogen control in cy-
anobacteria. J Bacteriol, 183: 411~425
Kikuchi H, Aichi M, Suzuki I, Omata T (1996). Positive regulation
by nitrite of the nitrate assimilation operon in the cyanobacteria
Synechococcus sp. strain PCC 7942 and Plectonema boryanum.
J Bacteriol, 178: 5822~5825
Kloft N, Forchhammer K (2005). Signal transduction protein PII phos-
phatase PphA is required for light-dependent control of nitrate
utilization in Synechocystis sp. strain PCC 6803. J Bacteriol,
187: 6683~6690
Kobayashi M, Takatani N, Tanigawa M, Omata T (2005). Posttrans-
lational regulation of nitrate assimilation in the cyanobacterium
Synechocystis sp. strain PCC 6803. J Bacteriol, 187: 498~506
Krouk G, Crawford NM, Coruzzi GM, Tsay YF (2010). Nitrate sig-
naling: adaptation to fluctuating environments. Curr Opin Plant
Biol, 13: 266~273
Lee HM, Flores E, Herrero A, Houmard J, Tandeau de Marsac N
(1998). A role for the signal transduction protein PII in the con-
trol of nitrate/nitrite uptake in a cyanobacterium. FEBS Lett,
427: 291~295
Lochab S, Kumar PA, Raghuram N (2014). Molecular characteriza-
tion of nitrate uptake and assimilatory pathway in Arthrospira
platensis reveals nitrate induction and differential regulation.
Arch Microbiol, 196: 385~394
Luque I, Flores E, Herrero A (1993). Nitrite reductase gene from
Synechococcus sp. PCC 7942: homology between cyanobac-
terial and higherplant nitrite reductases. Plant Mol Biol, 21:
1201~1205
Luque I, Flores E, Herrero A (1994a). Molecular mechanism for the
operation of nitrogen control in cyanobacteria. EMBO J, 13:
2862~2869
Luque I, Flores E, Herrero A (1994b). Nitrate and nitrite transport in
the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC7942 are mediated
by the same permease. Biochim Biophys Acta, 1184: 296~298
Maeda S, Okamura M, Kobayashi M, Omata T (1998). Nitrite-specific
active transport system of the cyanobacterium Synechococcus sp.
strain PCC 7942. J Bacteriol, 180: 6761~6763
Maeda S, Omata T (1997). Substrate-binding lipoprotein of the cya-
nobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7942 involved in the
transport of nitrate and nitrite. J Biol Chem, 272: 3036~3041
Maeda S, Omata T (2009). Nitrite transport activity of the ABC-type
cyanate transporter of the cyanobacterium Synechococcus elon-
gatus. J Bacteriol, 191: 3265~3272
Meeks JC, Wolk CP, Lockau W, Schilling N, Shaffer PW, Chien
WS (1978). Pathways of assimilation of [13N]N2 and
13NH4
+ by
cyanobacteria with and without heterocysts. J Bacteriol, 134:
125~130
Miller AG, Espie GS (1994). Photosynthetic metabolism of cyanate
by the cyanobacterium Synechococcus UTEX 625. Arch Micro-
biol, 162: 151~157
Montesinos ML, Muro-Pastor AM, Herrero A, Flores E (1998). Am-
monium/methylammonium permeases of a cyanobacterium.
Identification and analysis of three nitrogenregulated amt genes
植物生理学报828
in Synechocystis sp. PCC 6803. J Biol Chem, 273: 31463~31470
Muro-Pastor AM, Flores E (2001). Nitrogen control in cyanobacteria.
J Bacteriol, 183: 411~425
Muro-Pastor MI, Reyes JC, Florencio FJ (1996). The NADP+-isoci-
trate dehydrogenase gene (icd) is nitrogen regulated in cyano-
bacteria. J Bacteriol, 178: 4070~4076
Muro-Pastor MI, Reyes JC, Florencio FJ (2005). Ammonium assimi-
lation in cyanobacteria. Photosynth Res, 83: 135~150
Ohashi Y, Shi W, Takatani N, Aichi M, Maeda S-I, Watanabe S, Yo-
shikawa H, Omata T (2011). Regulation of nitrate assimilation in
cyanobacteria. J Exp Bot, 62: 1411~1424
Omata T (1991). Cloning and characterization of the nrtA gene that
encodes a 45-kDa protein involved in nitrate transport in the cy-
anobacterium Synechococcus PCC 7942. Plant Cell Physiol, 32:
151~157
Omata T (1995). Structure, function and regulation of the nitrate
transport system of the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC
7942. Plant Cell Physiol, 36: 207~213
Omata T, Andriesse X, Hirano A (1993). Identification and charac-
terization of a gene cluster involved in nitrate transport in the
cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7942. Mol Gen Genet,
236: 193~202
Omata T, Ohmori M, Arai N, Ogawa T (1989). Genetically engineered
mutant of the cyanobacterium Synechococcus PCC 7942 defec-
tive in nitrate transport. Proc Natl Acad Sci USA, 86: 6612~6616
Paz-Yepes J, Flores E, Herrero A (2003). Transcriptional effects of
the signal transduction protein P(II) (glnB gene product) on
NtcA-dependent genes in Synechococcus sp. PCC 7942. FEBS
Lett, 543: 42~46
Quintero MJ, Muro-Pastor AM, HerreroA, Flores E (2000). Arginine
catabolism in the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC
6803 involves the urea cycle and arginase pathway. J Bacteriol,
182: 1008~1015
Rai AN, Rowell P, Stewart WDP (1984). Evidence for an ammonium
transport system in free-living and symbiotic cyanobacteria.
Arch Microbiol, 137: 241~246
Reyes JC, Florencio FJ (1994). A new type of glutamine synthetase
in cyanobacteria: the protein encoded by the glnN gene supports
nitrogen assimilation in Synechocystis sp. strain PCC 6803. J
Bacteriol, 176: 1260~1267
Rigano VDM, Vona V, Manzo L, Rigano C (1987). NH4
+ uptake by
the unicellular alga cyanidium caldarium. New Phytol, 107:
507~512
Rodríguez R, Lara C, Guerrero MG (1992). Nitrate transport in the
cyanobacterium Anacystis nidulans R2. Kinetic and energetic
aspects. J Biochem, 282: 639~643
Sakamoto T, Inoue-Sakamoto K, Bryant DA (1999). A novel nitrate/
nitrite permease in the marine cyanobacterium Synechococcus
sp. strain PCC 7002. J Bacteriol, 181: 7363~7372
Scanlan DJ, Ostrowski M, Mazard S, Dufresne A, Garczarek L, Hess
WR, Post AF, Hagemann M, Paulsen I, Partensky F (2009). Eco-
logical genomics of marine picocyanobacteria. Microbiol Mol
Biol Rev, 73: 249~299
Stacey G, Tabita FR, Van Baalen C (1977). Nitrogen and ammonia
assimilation in the cyanobacteria: purification of glutamine syn-
thetase from Anabaena sp. strain CA. J Bacteriol, 132: 596~603
Stewart WD, Rowell P (1975). Effects of L-methionine-DL-sulphox-
imine on the assimilation of newly fixed NH3, acetylene reduc-
tion and heterocyst production in Anabaena cylindrica. Biochem
Biophys Res Commun, 65: 846~856
Suzuki I, Horie N, Sugiyama T, Omata T (1995). Identification and
characterization of two nitrogen-regulated genes of the cya-
nobacterium Synechococcus sp. strain PCC7942 required for
maximum efficiency of nitrogen assimilation. J Bacteriol, 177:
290~296
Suzuki I, Sugiyama T, Omata T (1993). Primary structure and tran-
scriptional regulation of the gene for nitrite reductase from the
cyanobacterium Synechococcus PCC 7942. Plant Cell Physiol,
34: 1311~1320
Takatani N, Omata T (2006). Effects of PII deficiency on expression
of the genes involved in ammonium utilization in the cyanobac-
terium Synechocystis sp. strain PCC 6803. Plant Cell Physiol,
47: 679~688
Tanigawa R, Shirokane M, Maeda S-I, Omata T, Tanaka K, Takahashi
H (2002). Transcriptional activation of NtcA-dependent promot-
ers of Synechococcus sp. PCC 7942 by 2-oxoglutarate in vitro.
Proc Natl Acad Sci USA, 99: 4251~4255
Valladares A, Flores E, Herrero A (2008). Transcription activation by
NtcA and 2-oxoglutarate of three genes involved in heterocyst
differentiation in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC
7120. J Bacteriol, 190: 6126~6133
Valladares A, Montesinos ML, HerreroA, Flores E (2002). An ABC-
type high-affinity urea permease identified in cyanobacteria. Mol
Microbiol, 43: 703~715
van den Heuvel RHH, Curti B, Vanoni MA, Mattevi A (2004). Glu-
tamate synthase: a fascinating pathway from L-glutamine to
L-glutamate. Cell Mol Life Sci, 61: 669~681
Vázquez-Bermúdez MF, Flores E, Herrero A (2002a). Analysis of
binding sites for the nitrogen-control transcription factor NtcA in
the promoters of Synechococcus nitrogen-regulated genes. Bio-
chim Biophys Acta, 1578: 95~98
Vázquez-Bermúdez MF, Herrero A, Flores E (2002b). 2-Oxoglutarate
increases the binding affinity of the NtcA (nitrogen control)
transcription factor for the Synechococcus glnA promoter. FEBS
Lett, 512: 71~74
Vázquez-Bermúdez MF, Paz-Yepes J, Herrero A, Flores E (2002c).
The NtcA-activated amt1 gene encodes a permease required for
uptake of low concentrations of ammonium in the cyanobacteri-
um Synechococcus sp. PCC 7942. Microbiology, 148: 861~869
Wang Q, Li H, Post AF (2000). Nitrate assimilation genes of the ma-
rine diazotrophic, filamentous cyanobacterium Trichodesmium
sp. strain WH9601. J Bacteriol, 182: 1764~1767
Wolk CP, Thomas J, Shaffer PW, Austin SM, Galonsky A (1976).
Pathway of nitrogen metabolism after fixation of 13N-labeled
nitrogen gas by the cyanobacterium, Anabaena cylindrica. J Biol
Chem, 251: 5027~5034