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水稻田是多产而复杂的生态系统,孕育着解决世界五分之一人口温饱问题的经济作物水稻,同时也生长着丰富的固氮蓝藻。固氮蓝藻能为稻田提供天然氮源,增加土壤肥力,促进水稻增产。稻田生境具有复杂的环境因子,同时受到现代农业生产实践的影响。为了探讨蓝藻在此类生境中的生存策略,我们对典型丝状固氮蓝藻葛仙米Nostoc sphaeroides CCNUC1进行了全基因组测序,并利用比较基因组分析系统全局地探究蓝藻对稻田生境的特定适应机制。丝状蓝藻具有形态发育的多样性,可以通过发育阶段的转变来应对环境因子的变化。我们利用比较转录组分析研究了光控葛仙米发育转变过程中基因表达变化,旨在探究环境因子影响蓝藻细胞发育的分子机制。低剂量UV-B是普遍存在的生态因子,稻田蓝藻不可避免地受到UV-B辐射的影响。虽然在真核光合生物中,UV-B信号转导和适应机制研究已取得一定进展,但是原核光合生物蓝藻对低剂量UV-B辐射的适应机制尚不清楚。本论文研究葛仙米对短期低剂量UV-B辐射的防御性响应机制,以及对长期低剂量UV-B辐射的适应机制,旨在探究低剂量UV-B辐射的生理生态学效应。本论文主要研究结果如下:1基于比较基因组分析的丝状固氮蓝藻葛仙米对稻田生境的生态适应机制研究。葛仙米全基因组大小为9,516,388 bp,由一条环状染色体（6,481,972 bp）和8个质粒组成,其中一个质粒为宏质粒（2,342,398 bp）。该基因组预测了 10494个开放阅读框,注释了 5478个基因,其中大量复制、重组和修复相关基因分布于宏质粒上。通过与其生境差异显著的近缘念珠藻进行比较基因组分析,我们发现3个编码L-乳酸脱氢酶的LDH基因,编码双向氢酶的hox基因簇和编码碳-磷裂解酶复合物的phn基因簇分布于宏质粒上,暗示着宏质粒可能在有机膦化合物降解利用和在稻田厌氧生境适应中发挥重要功能。通过对29株念珠藻比较基因组分析,我们发现葛仙米基因组具有近缘陆生念珠藻性状相关的遗传信息,如葛仙米基因组存在7个橙色类胡萝卜素结合蛋白编码基因ocp,8个高光诱导蛋白编码基因hlip,9个DNA损伤诱导蛋白编码基因dinD和3个水分胁迫蛋白编码基因wspA,这些基因有助于稻田蓝藻应对水稻耕作循环过程中高光,强紫外和干旱等非生物学胁迫。我们还发现葛仙米基因组中存在由核糖开关ydaO调控的硝酸转运子基因簇nrtABC,由VB12核糖开关调控的钴离子转运子cbiMNQO,氟核糖开关调控的氟离子逆向运输蛋白编码基因eriCF,这些基因有助于葛仙米适应稻田复杂营养环境。该研究揭示了丝状固氮蓝藻葛仙米适应稻田生境的基因组特性,为蓝藻如何适应复杂动态的生态系统提供重要信息。2光控丝状固氮蓝藻葛仙米形态发育的全局性基因表达与转录调控研究。当藻殖段从微光（5 μmol m-2s-1）转移到适宜光强条件（20 μmol m-2s-1）下时,葛仙米藻殖段在72 h内迅速发育成具异形胞的营养藻丝。在此发育转变过程中,转录组数据分析表明:藻殖段伪空泡编码基因gvps、移动性相关的hmp基因簇、以及趋光性相关的pix基因簇和Ⅳ型菌毛系统相关的pil基因簇均显著下调表达,蛋白质合成和氧化磷酸化相关基因呈持续上调表达模式,大量光合作用、碳固定和氮代谢相关基因属于瞬间下调然后持续上调的表达模式,与营养藻丝生理状态相一致。我们还发现非编码RNA PsrR1与预测的靶基因apcB、apcF、petC、petE、petF、psbB和psbO等展现出相反的转录表达模式,而非编码RNA NsiR1与预测的靶基因narB、patU、nifH和nifK等表现出一致的表达模式,这些结果说明PsrR1参与光控藻殖段恢复成营养藻丝过程中光合调控,而NsiR1则可能与异形胞发育调控有关。该研究初步揭示了变光调控丝状固氮蓝藻从藻殖段发育成具有异形胞的营养藻丝过程中的分子机制。3葛仙米对短期低剂量UV-B辐射的防御响应研究。相对于仅仅暴露于PAR（4.35 W m-2）条件,可见光和0.08 Wm-2 UV-B辐射处理2 h明显削弱藻殖段运动性,并显著下调伪空泡编码基因gvps和藻殖段特异移动方式相关的hps、hmp、pix和pil基因簇表达。经低剂量UV-B处理2 h,葛仙米wzy依赖的胞外多糖组装和转运途径相关基因的转录丰度显著高于对照,24 h UV-B辐射促进葛仙米酸性胞外多糖分泌。72 h UV-B辐射显著诱导葛仙米紫外吸收物质类菌孢素氨基酸Maas合成基因簇mysA-mysB-mysC-mysD转录,且Maas含量也显著增加50%。经UV-B辐射2 h,光系统Ⅱ最大光化学量子产额Fv/Fm显著下降43%,而单位PSII反应中心吸收的能量参数ABS/RC和耗散掉的能量参数DI/RC分别显著增加70%和106%,随后均逐渐恢复到与对照一致水平,该结果暗示着低剂量UV-B辐射初期诱导葛仙米某种热耗散机制以保护光合机构。本研究从基因表达和生理层面揭示了葛仙米耐受UV-B的多样化防御机制,为UV-B信号转导和转录调控研究提供重要信息。4长期低剂量UV-B辐射对葛仙米生长和光合作用的正向效应及其机制研究。虽然UV-B对光合生物的伤害作用具有普遍性,但是少数真核光合生物表现出对UV-B的积极效应。我们研究了低剂量UV-B辐射对稻田丝状蓝藻葛仙米生长和光合作用的影响。相对于仅仅暴露于可见光（4.35 Wm-2）,0.08 Wm-2 UV-B和4.35 Wm-2可见光同时处理葛仙米14 d,其球形原植体群体形成过程无显著差异,但是比生长速率和干重分别显著增加16%和30%。与未经UV-B适应的样品相比,经UV-B适应的细胞光合效率和光合潜能均显著增加约50%,光系统Ⅰ与光系统Ⅱ荧光比例显著增加,光系统Ⅰ含量增加,并且围绕PSI的环式电子传递速率加倍。虽然经UV-B适应的葛仙米和未经UV-B适应的葛仙米光系统Ⅱ活性无显著差异,但是光系统Ⅱ最初电子受体QA和质体醌库PQ再氧化速率均显著增加。经UV-B适应的葛仙米在后续强UV-B和高光条件下具有更快的光系统Ⅱ核心蛋白D1合成速率,从而出现减轻光抑制现象。本研究揭示了 UV-B对蓝藻生长和光合作用的正向效应及其机制,也暗示着低剂量UV-B在弱光或遮阴环境中对一些原核光合生物而言是一种正向生态因子。