碳是人类最早发现和利用的元素之一,生态群落中的碳循环由微生物驱动。氮元素同样是生物体的重要组成元素,而空气中丰富的氮气只能转化为化合物状态才能被生物体利用。近年来微生物推动生态群落中的碳氮循环具有重大的生态意义,更是发现在表达铁固氮酶过程中能产生甲烷,同时生态群落中甲烷厌氧氧化微生物将甲烷氧化利用,整个过程涉及碳氮元素循环,由此也说明了生物固氮过程具有重要的地位。在工业合成氨需要高温高压,对设备要求高且消耗巨大能源,而生物固氮绿色环保经济,有显而易见的优势。生物固氮的研究领域包括生物固氮机制、共生固氮机制、固氮分子遗传及固氮微生物的研究等。早在1942年15N实验示踪确定了NH3是生物固氮的产物,由此开启了生物固氮机制的研究。目前将固氮酶分为钼固氮酶和替代固氮酶（钒固氮酶和铁固氮酶）,而替代固氮酶仅仅在有钼固氮酶的生物体内发现,猜测可能是因为其辅因子的生物合成和组装需要钼固氮酶nif基因簇,也就是说替代固氮酶依赖钼固氮酶而存在。近年来发现相比于钼固氮酶和钒固氮酶,铁固氮酶能够产生更多的氢气,且能够将CO2直接还原为甲烷,对于全球碳氮循环和气候变化也发挥着未被开发的重要作用。固氮酶结构上由Fe蛋白和MFe蛋白（M=Mo,V,Fe）组装而成,而这两部分易感受氧气而失活。双组分系统是响应并适应环境或细胞内状态变化的基本的调控系统,在固氮过程中发挥着广泛而较上游的调控作用。因此,本课题从双组分系统着手,寻找双组分系统对固氮酶响应NH4+和O2信号的调控关系,完善固氮酶表达的调控途径,以期推动碳氮循环。甲烷是不可忽视的温室气体,已证明甲烷厌氧氧化（AOM）是控制全球甲烷排放量的重要途径之一。甲烷厌氧氧化可以利用不同的电子受体(SO42-、NO2-/NO3-、Fe3+、Mn4+、Cr5+、Mn O4-等),但细胞色素c在其中均承担着重要的递电子体的作用,因此细胞色素c的异源表达对于研究甲烷厌氧氧化的电子传递机制具有重要意义。本课题对未培养厌氧甲烷氧化古菌Candidatus Methanoperedens sp.的基因组信息的挖掘得到一段具有四个血红素结合基序-CXXCH-的编码序列,并对其进行异源表达,为后续的电化学测定分析甲烷厌氧氧化机制中的电子传递奠定基础。通过对介导甲烷合成的固氮酶和介导甲烷氧化的细胞色素c的一系列研究,我们发现:NtrC不是PⅡ蛋白（Gln K2）的直接调控子;双组分系统ntrXY在固氮酶调控中可能起着更重要的作用;Fix LJ是固氮酶响应氧气信号的关键调控子且其在固氮酶调控中处于一个较上游的地位;细胞色素C的异源表达需要合适的成熟系统,在Shewanella oneidensis MR-1中的表达量明显高于以Escherichia coli为表达宿主的表达量。