自然界中，固氮是一个“怕氧”的生化反应。固氮酶可以把空气中的氮气转化成生物能够利用的氨氮，同时又很容易被氧气失活。而蓝细菌偏偏又是会放氧的生物，它一边通过光合作用制造氧气，一边需要保护怕氧的固氮酶，这看起来近乎矛盾。

多细胞丝状蓝细菌给出的答案是，在一条细胞长链上进行合适的“分工”，化解矛盾。

科学家观察发现，当环境缺氮时，模式生物鱼腥蓝细菌会让部分营养细胞分化成异形胞。它们像一间间加厚墙壁的“固氮工作室”，内部保持微氧环境，专门承担固氮任务；其余细胞则继续进行光合作用。精妙的是，这些异形胞并非随意出现，而是沿丝体呈半规律间隔分布。

近日，华中师范大学生命科学学院、中国科学院水生生物研究所（以下简称水生所）徐旭东团队与中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余团队合作，重构了蓝细菌异形胞分化的核心调控回路和整体调控网络。他们研究确认，长期被低估的HetZ在协调异形胞形成与图式排列中起到核心作用。日前，相关研究发表于国际期刊《美国科学院院刊》。

徐旭东在实验室做研究。受访单位供图

四个角色

“要理解这项工作，首先要认清四个关键‘角色’：HetR、HetZ、PatS和PatU3。”徐旭东介绍，过去，HetR常被称为异形胞分化的“主调控因子”。它像启动分化程序的关键按钮，当蓝细菌感知到缺氮信号后，HetR参与推动一些细胞分化为异形胞。但如果只有“启动”，细胞链上可能会出现过多异形胞，分工就会失衡。

这时，PatS登场。PatS是一段小肽，其抑制信号可以沿丝体扩散，阻止周围细胞也变成异形胞。若把HetR看作“油门”，PatS就是能在邻近细胞之间传递的“刹车信号”。一个细胞分化成异形胞后，它周围的细胞便会收到抑制信息，从而形成间隔排列。

然而，徐旭东团队发现，这套“油门—刹车”模型并不完整。真正把许多基因调动起来的，是HetZ。研究证明，HetZ是一种特殊σ因子，被称为σHetZ，可引导RNA聚合酶识别启动子，直接激活hetR、patS、patU5-patU3、ntcA以及异形胞包被多糖层等异形胞分化相关基因。换言之，σHetZ像中央控制室的“调度员”，把细胞命运决定、图式形成和后续结构建造协调偶联起来。

PatU3则是σHetZ的“制动器”。它能够与σHetZ结合，抑制其转录激活功能。由此，σHetZ-PatU3与HetR-PatS两对“激活因子—抑制因子”，共同构成异形胞分化和图式形成的核心回路。细胞是否成为异形胞，不再只是一个单按钮控制的问题，而是两组开关相互牵制、层层协调的结果。

“欠缺”的漂亮模型

在很长时间里，科学家门更熟悉的是传统模型：HetR激活异形胞分化，PatS抑制HetR活性，两者类似图灵模型中的激活因子和抑制因子。这个模型简洁、漂亮，也解释了异形胞为什么会间隔出现。

但越往深处做，徐旭东越觉得“不对劲”。图灵模型要求激活因子和抑制因子以不同速率扩散，才能形成稳定图式；可在蓝细菌中，HetR不能在细胞间移动，能够扩散的主要是PatS小肽。只有抑制信号扩散，怎么支撑完整的图式形成？另一个疑问也越来越尖锐：如果HetR直接调控patS和ntcA，为什么在patS和ntcA上游找不到相应的HetR识别位点？

这些缺口指向同一个可能：传统模型漏掉了关键一环。徐旭东团队把目光投向hetZ-patU5-patU3基因丛。早在2001年9月11日，徐旭东回国加入水生所后不久，团队在筛选到一个不产异形胞的突变株1801。做了6年的研究后，徐旭东团队证明有一个 hetZ-patU5-patU3基因丛能够影响异形胞分化，以及异形胞在丝状体上如何排列。

但打破一个被广泛接受的模型并不容易。徐旭东坦言，20年间最大的困难，就是同行认为传统模型已经“很漂亮完美了”，不相信HetZ会有关键作用，只把它看作下游、次要的因子。2018年，一家国外实验室发表论文认为HetZ是间接调控异形胞发育的因子。

“我们当时是很苦闷的，因为我们认为HetZ应该是有核心功能的。”徐旭东说。但他也很清楚，在证据不过硬时，别人难以接受新的调控机制是正常的。“虽然说还没获得同行接受，但我们的信念就是一定要把它做出来，让证据说话。”徐旭东坦言。

四重证据

为了让HetZ从“间接或下游因子”变成“核心因子”，徐旭东团队拿出了四重证据。

第一重是鱼腥蓝细菌野生型和hetZ突变株之间的ChIP-seq差异分析。它像给HetZ装上定位器，查看它在全基因组中究竟落在哪些位置。结果显示，全基因组至少有546个HetZ结合位点，并鉴别出保守的-35区、-10区启动子序列。hetR、patS、patU5-patU3、ntcA以及异形胞结构发育相关基因上游，都出现了HetZ识别的启动子。这些信息提示HetZ符合σ因子特征。

第二重是野生型和突变株的转录组差异分析。它回答的问题是：如果σHetZ出了问题，哪些基因的表达量会变低？研究人员发现，当hetZ出现突变后，ntcA、patS、sigC以及hep基因丛等一批异形胞分化关键基因的表达明显下降，从而说明σHetZ直接激活这些基因。

第三重是在大肠杆菌重构的鱼腥蓝细菌转录体系。蓝细菌内部调控关系复杂，许多因子互相影响，很难判断谁直接作用于谁。团队于是把鱼腥蓝细菌的RNA聚合酶基因丛放进大肠杆菌中，搭建了一个更“干净”的转录检测平台。这个平台像一间隔离实验室：只放入σHetZ，就能看到它是否直接激活目标启动子。结果证明，σHetZ单个因子即可激活hetR、patS等基因以及包被多糖层基因表达；加入PatU3后，这种激活又被抑制。

第四重是冷冻电镜结构解析。它进一步回答了“HetZ为什么是σ因子、又特殊在哪里”。研究团队解析了σHetZ与RNA聚合酶及patS启动子形成的复合体结构，发现σHetZ具有3个新的插入结构域，能以不同于典型σ因子的方式识别并打开启动子；PatU3则通过结合这些关键结构域封闭其功能。

“四重证据，非常有力地证明HetZ在蓝细菌特化固氮细胞形成的核心作用。”徐旭东坚定地说。研究团队也在论文开头写道：“本研究提供了迄今为止最全面的蓝藻异形胞分化基因调控网络图谱。”

2026年7月2日，论文发表的第二天，徐旭东在朋友圈配上了与论文相关的“九宫格”照片，并写了一段文字：“20年努力，终于打通异形胞分化调控通路，明确核心调控回路。”

徐旭东介绍，产异形胞蓝细菌可自由生活，也可与植物、海洋硅藻共生，是水体和土壤固氮的重要力量。其异形胞自带防氧保护，无需诱导宿主形成根瘤。通过合成生物学改造，未来有望获得可在高等植物中稳定遗传的固氮内共生体。

相关论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2610149123