尽管铁元素在地壳中的含量很丰富，但是环境中生物可利用铁量非常低。在自然水体环境中，铁易形成Fe(OH)3沉淀，导致水体中溶解态的铁浓度很低。在一些海洋和淡水环境中，可利用铁是初级生产力的主要限制因子。蓝藻是全球初级生产力的主要贡献者，能够吸收大量的CO2，对缓解温室效应有重要的意义。光合生物需要需要大量的铁元素参与光合电子传递，但是蓝藻却广泛分布于许多缺铁的水体环境。　　然而蓝藻的低铁适应机制，目前还需要深入研究。本研究主要以模式蓝藻集胞藻PCC6803为材料，利用生理、生化和分子生物学手段等研究了蓝藻外膜铁转运的分子机制。取得了以下主要研究结果:　　1.集胞藻PCC6803铁吸收相关基因的筛选与鉴定。将得到的24个突变株在铁限制条件下培养，除了已知的铁吸收相关基因之外，还发现7有个突变株的生长受到了显著的抑制。其中发现和大肠杆菌中二价铁离子输出蛋白高度同源的Sll1263蛋白在蓝藻的铁吸收过程中有重要作用。在铁充足条件下，基因失活以后铁吸收相关基因上调表达，缺铁后基因上调幅度加大。铁限制条件下，与野生型相比sH1263::C.K2的生理表型受到显著的抑制。在铁充足条件下，sll1263::C.K2突变株胞内的铁含量下降。Sll1263蛋白参与蓝藻的铁吸收过程，而其他大部分已知的CDF家族蛋白参与金属离子外排的过程。为我们理解蓝藻特殊的铁吸收机制提供了理论基础。　　2.ExbB-ExbD的鉴定与功能研究。在对突变株的表型测定中，发现ton、exbB-exbD的同源基因失活后，铁限制条件下突变株的生长受到显著抑制，TonB-ExbB-ExbD蛋白在蓝藻铁吸收过程中的作用引起了我们的关注。通过生物信息学，发现非嗜铁素分泌型集胞藻PCC6803的基因组中存在三个可能的exbB-exbD基因簇。这三个基因簇的功能是相似的，敲除失活其中一个基因簇，单突变株的生长速率下降、细胞色素含量降低、细胞铁含量降低、铁吸收速率下降;失活其中两个基因簇，双突变株受到的铁限制更为显著;将这三个基因簇同时失活，藻细胞死亡。酵母双杂交实验表明ExbB和ExbD有蛋白-蛋白相互作用，大肠杆菌的同源基因可以替代这三个基因簇在铁吸收过程中的功能。通过55Fe短时吸收实验发现，ExbB-ExbD蛋白复合体参与了蓝藻对无机自由铁和有机螯合态铁(ferrioxamine B)的吸收过程，蓝藻对无机自由铁的吸收速率大概是有机螯合铁的800倍。　　3.TonB蛋白的鉴定和功能研究。ExbB-ExbD与TonB蛋白形成复合体起作用，本研究根据已发现的ExbB-ExbD蛋白复合体，鉴定了集胞藻PCC6803中的两个TonB蛋白，Slr1484和Sll0188。这两个蛋白有TonBs蛋白家族保守的CTD二级结构和三级结构。将这两个蛋白分别失活后，在铁限制条件下突变株的生理表型受到抑制。Slr1484和Sll0188和已鉴定的ExbD蛋白有蛋白质相互作用，E.coli-TonB可以分别互补这两个突变株的铁限制表型，表明Slr1484和Sll0188是synTonBs蛋白。　　4.TonB依赖的外膜受体蛋白的鉴定与功能研究。通过与已鉴定的TonB之间的蛋白相互作用分析，发现两类TonB依赖的外膜受体蛋白。其中一类和大肠杆菌中的嗜铁素-铁的外膜受体蛋白具有同源性，它们分别是Sll1206、Sll1406、Sll1409和Slr1490。在铁限制条件下，这些基因的突变株表型和野生型没有显著性的差异。第二类蛋白是一类具有独特性的beta-桶状蛋白，它们分别是Sll1271、Sll0072、Slr1908、Sll1550、Slr1841和Slr0042。这类蛋白在所有蓝藻中高度保守，但在其它物种中没有同源蛋白，它们在三级结构上和革兰氏阴性菌的外膜孔蛋白具有一定相似性，但是氨基酸序列同源性极低。将其中的一个基因失活，导致突变株在铁限制条件下突变株的生长受到了显著的抑制，而其中Slr1841和Slr1908始终不能获得敲除完全的突变株。　　本研究在蓝藻中首次鉴定了ExbB-ExbD、synTonBs（Sll0188和Slr1484）和两类TonB依赖的外膜受体蛋白，并发现TonB-ExbB-ExbD依赖的转运系统对蓝藻自由铁的吸收有至关重要的作用。其中一类通道蛋白为蓝藻所特有并且参与蓝藻的铁吸收过程。