最近研究表明,即便是处于同一种群中的微生物细胞,在基因转录和翻译、蛋白活性、以及代谢物丰度等多个水平都可能存在显著的差异,说明微生物细胞间存在着多个层次上的异质性;同时,传统微生物学研究方法依赖于对研究对象的纯培养,往往造成实验室的研究结果无法真实地反映微生物细胞在自然界中的原始状态,急需发展新的原位研究手段;此外,自然界中的微生物目前只有极少部分可以在实验室中进行培养,仍有大量微生物无法通过传统方法进行发掘和研究。单细胞尺度微生物学为解决这些微生物学研究中的重要挑战提供了一种新的策略和技术思路,有望帮助我们更为直观、深入地了解每个细胞内部的状态,以及其在自然界的生理生态功能。单细胞基因表达分析能够获得更多微生物细胞的生理功能信息。本研究开发了一种针对微生物的单细胞转录组分析方法,并将其应用于缺氮胁迫下的模式蓝细菌集胞藻PCC 6803中。借助于这一新的分析方法,我们实现了集胞藻中单细胞全转录组的检测,并发现“移动元件”和“蛋白质合成”两个模块中基因表达的异质性随着缺氮处理时间发生了显著的变化。该方法为研究微生物群体中的基因表达异质性提供了一种新的工具,对微生物生态学和环境科学领域有着重要的价值。作为微生物中主要的表观遗传修饰方式,DNA甲基化已被证实在微生物中具有重要的调控意义。DNA甲基化在微生物中主要通过限制-修饰系统与“独立”DNA甲基转移酶两种方式对多种生理过程进行调控。然而,蓝细菌中DNA甲基化的修饰位点与甲基化功能尚未被深刻解析,限制了我们对蓝细菌中关键生理过程的理解与分子水平的定向改造。本研究通过分子手段对集胞藻PCC 6803中三个甲基转移酶的敲除,发现甲基化对集胞藻的DNA重组与基因表达调控有着密切联系;利用高通量测序的方法,在全基因组水平解析了三种修饰位点的甲基化组,并通过生物信息学的分析手段,挖掘出了DNA甲基化与DNA重组、基因表达、光合作用等重要生理过程之间的关联。该结果将为集胞藻PCC 6803中DNA甲基化的深入解析提供基础,有助于我们理解集胞藻中关键生理过程,并为集胞藻的定向分子改造提供新的方向。