海绵作为最古老的多细胞动物,在长期的进化中与微生物形成了紧密的共生关系。从系统生物学的观点来看,海绵及其共生微生物构成了海绵全功能体(Sponge Holobiont)。由于历史和技术上的原因,人们对海绵全功能体的研究多集中在基于16S rRNA基因的海绵共生细菌种属多样性上,对于海绵全功能体与生境类型的关系、海绵共生微生物的基因组与生态学功能、海绵真核共生体、海绵-微生物的互作关系等研究还非常有限。在本文的第一部分(第二、三、四章),为了探究不同生境中的海绵全功能体在共生微生物群落结构与功能、宿主基因表达、以及宿主-微生物互作方式的异同,我们从夏威夷海域采集了分布于多种生境(海藻垫下方、珊瑚表面、岩石基质)的Mycale grandis,综合454高通量测序、GeoChip、转录组测序三种技术手段,在DNA和RNA水平,对三种生境中的M.grandis全功能体的组成与功能进行分析比较。我们先用16S rRNA(454测序)和gyrB(GeoChip)两个标记对三种生境中M.grandis的共生细菌群落进行分析。结果都表明,三种生境中M.grandis共生细菌群落的种属组成是相似的,其中Proteobacteria,特别是β-proteobacteria代表了M.grandis的优势共生细菌。但gyrB揭示出了16S rRNA没有检测到的细菌微多样性,表明不同生境中的M.grandis共生细菌群落的结构存在明显差别,且不同生境中共生细菌群落有独特的高活跃度类群。基于GeoChip的M.grandis共生细菌群落的功能基因分析表明,三种生境中的M.grandis共生细菌群落的功能潜力相近(核心基因的比例达到90%),但三种生境中的M.grandis共生细菌群落的功能基因多样性和表达模式存在显著差别。在序列水平的分析表明,核心基因的功能冗余性十分突出,且每种生境中都存在独特的高活跃度类群执行相似的功能。整体来看,三种生境中M.grandis共生细菌群落的差异与细菌的微多样性以及微生物系统的功能冗余性有关。接下来,我们用28S rRNA-454测序和GeoChip对不同生境中M.grandis的共生真菌群落的种属多样性与功能进行分析比较。28S rRNA-454测序分析表明,三种生境中M.grandis的共生真菌群落的种属组成和群落结构没有显著性差异,其中Capnodiales在M.grandis的共生真菌群落中占绝对优势。GeoChip分析表明,M.grandis的共生真菌主要参与了碳降解、芳香族化合物降解、反硝化等过程。与细菌部分的结果类似,三种生境中共生真菌群落的功能基因的多样性和表达模式都存在明显差别。在序列水平上的比较亦发现,真菌核心功能基因具有很高的功能冗余性,且每种生境里有独特的高活跃度类群。最后,对三种生境的M.grandis进行转录组测序,我们发现M.grandis的基因表达模式在同一生境内变化较小,但在三种生境间差异显著。对差异基因代表的生物学过程进行分析,结果暗示着当M.grandis生长在海藻垫下方时,很可能处于被胁迫的状态;当M.grandis生长在珊瑚表面时,可能与珊瑚虫之间存在生存空间的争夺压力,还可能处于生殖阶段;当M.grandis生长于码头处岩石基质上时,可能需要对抗较强的水流刺激。基于相关性分析,我们发现真核样蛋白和初级免疫系统相关蛋白的差异表达与共生微生物群落的多样性以及功能基因的多样性和表达率之间存在相关性。综合以上的研究结果,我们猜测:M.grandis在三种生境中很可能处在不同的生理状态,影响到真核样蛋白与初级免疫系统相关蛋白的表达。而真核样蛋白与初级免疫系统相关蛋白的差异表达,又使共生微生物群落面临着不同的选择压力。三种生境中M.grandis共生细菌、真菌群落的差异,是来自宿主的选择压力、微生物的微多样性、微生物的功能冗余性三者互作的结果。本论文的第二部分(第五章)着眼于微观,针对未培养海绵共生细菌的基因组进行研究。隋氏蒂壳海绵(Theonella swinhoei)几乎所有活性天然产物都是由其丝状共生细菌“Entotheonella”产生的。人们对此类细菌的次级代谢基因簇和产生的化合物已经有了较为全面深刻的认识,但对其营养需求、对共生生活的适应性以及与宿主和其他生物的互作机制却知之甚少。我们采用宏基因组Binning技术,从中国南海隋氏蒂壳海绵的宏基因组中获取了两个“Entotheonella”的基因组。基于平均核苷酸指数的分析,这两个基因组分别对应来自日本海隋氏蒂壳海绵的“Ca.Entotheonella factor”和“Ca.Entotheonella gemina”。对以上四株菌的基因组基分析表明:“Entotheonella”是可以营混养生活的氨基酸缺陷型细菌;异化硫酸盐还原途径、多种厌氧呼吸酶系和反硝化酶系暗示此类细菌对厌氧条件有较强的适应能力;产芽孢潜力和多种金属抗性基因暗示此类菌具有较强的抗逆性;“Entotheonella”基因组中有较为完整的编码II型和VI型分泌系统的基因,暗示着该类细菌可以在宿主体内稳定定植、拮抗吞噬和杀灭其他原核竞争者。本研究说明“Entotheonella”在海绵共生微生物群落中可能有很强的竞争力,研究结果也为实验室分离培养此类细菌提供了理论依据。