褐藻胶作为褐藻细胞壁的特征性组分，具有多种生物活性，广泛应用于食品、医药和纺织等多个行业。相对假单胞菌属和固氮菌属微生物而言，褐藻的褐藻胶生物合成途径尚不明确，研究其合成通路基因的结构与功能，不仅对于研究褐藻纲的系统进化具有重要的科学意义，同时也将为分子辅助育种、基因工程等研究提供必要的功能基因研究基础。本论文利用生物信息学方法，对“国际千种植物转录组计划”数据库和海带基因组数据库进行检索和注释，对褐藻胶生物胶合成途径的基因（PMI、PMM、MPG、algD和algG）进行了候选基因的同源性、结构域、三维结构等分析，初步完成了对其基因功能的预测，基本构建完成了海带等的褐藻胶生物合成途径；通过研究褐藻胶合成途径基因的拷贝数变化、多基因家族特殊的基因排布方式以及基因的系统进化关系等，探讨了藻类褐藻胶合成通路基因的进化起源和多基因家族的适应性变异和演化过程。结果显示：海带等褐藻的褐藻胶合成途径与微生物基本一致，但其第一步反应（可逆性催化甘露糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸之间的相互转化）和第三步反应（可逆性催化甘露糖-1-磷酸和GDP-甘露糖之间的相互转化）的酶则由Type I类型双功能PMI基因（同时具有PMI和MPG活性）编码；褐藻胶合成通路中前体物质GDP-甘露糖醛酸合成基因的拷贝数较少（海带中PMI基因为3个拷贝、PMM基因为单拷贝、algD基因为5个拷贝），但是其异构化修饰基因（algG）拷贝数众多以超大基因家族形式存在（海带有78个成员），且海带基因组中多拷贝基因algG基因的数目明显多于长囊水云（海带中algG基因成员数是水云algG基因的约三倍）。本论文首次完成了海带褐藻胶生物合成途径中关键基因的克隆（Sja-PMM基因和Sja-algG基因），并对比研究了Sja-PMM和Sja-PMI4的酶学性质。原核表达后获得Sja-PMM重组蛋白，大小为48KDa，浓度为0.97mg/ml，酶活性检测显示其同时具有磷酸甘露糖变位酶（PMM）和磷酸葡萄糖变位酶（PGM）活性，是一个双功能的底物非特异性蛋白；该蛋白的PMM和PGM活性的最适宜温度分别为25℃和30℃，最适缓冲液pH分别为7.4和7.0，酸性环境抑制酶活性，而碱性环境（缓冲液pH大于9.0）中酶活性几乎完全丧失；Mg2+和Co2+可极其显著促进PMM活性和PGM活性，Zn2+抑制PMM活性，其他金属离子（Ca2+, Cu2+,Cd2+和Pb2+）则对两种活性均无显著影响；重组蛋白Sja-PMM的PMM活性显著高于其PGM活性，以甘露糖-1-磷酸作为底物，Vmax为58.82U/mg，Km为699.41μM，Kcat/Km为0.0672s-1μM-1，以葡萄糖-1-磷酸为底物，Vmax为6.45U/mg，Km为41.04μM，Kcat/Km为0.125s-1μM-1。酶学性质检测结果显示，Sja-PMI4重组蛋白属于Type I类型的双功能PMI蛋白，相比较其微弱的PMI活性，Sja-PMI4重组蛋白具有显著的MPG活性，其MPG活性最适反应温度和pH分别为40℃和7.0。不同金属离子对MPG活性的促进作用顺序为Mn2+> Mg2+> Ca2+> Cu2+，Zn2+显著性抑制MPG活性；酶促反应动力学参数分别为Vmax为3.28U/mg，Km为32.44mM，Kcat/Km为1.12s-1mM-1。对藻类褐藻胶途径同源基因的系统进化分析结果显示褐藻中的algD和algG基因可能起源于细菌的基因水平转移，而PMI和PMM基因可能起源于质体的二次内共生事件；海带和长囊水云中PMI基因都为3个拷贝，而Sja-PMI4功能验证结果显示，其MPG的功能可能源于基因复制后的新功能进化。褐藻胶合成的差向异构修饰基因（algG基因）在海带和长囊水云等褐藻基因组中存在多拷贝和基因串联重复现象，algG基因家族可根据系统进化结果大致分为五个类型，其形成可能源于基因复制事件，其多拷贝以及内含子分布的差异特征显示可能存在着不同的调控方式；algG基因催化甘露糖醛酸向古洛糖醛酸的变构，能够提高褐藻胶的强度进而影响到藻体的柔韧程度，与藻类对潮汐、海流等生态环境的适应密切相关，并可能与丝状体、叶状体等复杂体制的进化有关。