光合作用(photosynthesis)是地球上大部分有机物组成的基础，海洋中的光合作用贡献了地球一半的光合作用总量。光合作用是一个古老的演化过程，它的进化主要沿着两条路线——不产氧光合作用(anoxygenic photosynthesis)和产氧光合作用(oxygenic photosynthesis)。根据化石资料记载，前者大约出现在30亿年前，后者大约在25-26亿年前出现。本研究中，我们沿着光合作用的这两条主线对海洋中的好氧不产氧光合细菌(Aerobic Anoxygenic Phototrophic Bacteria，AAPB)和微型蓝细菌(picocyanobacteria)光合基因结构和进化进行了分析。本论文利用比较基因组学和分子生态学手段分析了AAPB光合基因簇(Photosynthetic Gene Cluster, PGC)的结构和进化，以及蓝细菌与其病毒中光合基因psbA的进化分化，具体研究成果体现在以下几个方面:　　 1)关于AAPB光合基因簇结构方面:分析了10株全基因组测序AAPB的PGC，它们分别来自Rhodobacterales，Sphingomonadales和NOR5/OM60进化分支。在所有的PGC中，我们发现了两个保守的结构域:bchFNBHLM-LhaA-puhABC和crtF-bchCXYZ，根据它们的排列组合，理论上有四种排列，在所有的AAPB中发现了三种。而且发现排列结构的分布和系统发育进化的结果并不一致。在所有分析的PGC中都含有相同的细菌叶绿素合成基因和光反应中心的基因，它们最大的不同是类胡萝卜素的合成基因。Spheroidenone、spirilloxanthin和zeaxanthin三种类胡萝卜素的合成途径分别发现于不同的进化类群。　　 2)关于光合基因簇的进化方面:比较两株较为近源的Citromicrobium属的细菌基因组（98.1％的16SrRNA序列相似性）:一株是AAPB——Citromicrobium bathyomarinum JL354，我们首次在AAPB中发现了两个不同的光合基因簇共存于一个基因组上;另一株是非光合细菌——Citromicrobium strain JLT1363，我们发现了光合基因的丢失。而且在两个细菌的基因组上都发现了介导水平基因转移的证据。菌株JL354不完整的光合基因簇（pufLMC-puhCBA）位于一个整合结合元件(Integrating Conjugative Element，ICE)中，这也暗示了AAPB光合基因的水平基因转移。　　 3)一个新的Mu-like噬菌体ΦCBJL38在南海分离的细菌Citromicrobium bathyomarinum JL354中被发现，菌株JL354是一个隶属于Alpha-IV类群的海洋AAPB。噬菌体ΦCBJL38基因组大小约37 Kb，GC含量为66.1％，包括了57个开放式阅读框，它们涉及噬菌体整合、DNA包裹、形态形成和细菌裂解等。噬菌体ΦCBJL38基因组有很高的镶嵌性，它的结构排列包括早期表达基因，编码头部和编码尾部的基因簇结构。编码头部的区域是相对最保守的区域，编码尾部的是最高变的区域。噬菌体ΦCBJL38代表了第一个分离自海洋，同时也是第一个分离自AAPB的Mu-like病毒。　　 4)海洋中的聚球藻是微型浮游植物的基本组成类群之一，而且对海洋初级生产力有着很重要的贡献。聚球藻病毒通过感染聚球藻，影响着其宿主在海洋中的分布和丰度。本文基于psbA基因研究了聚球藻及其肌尾病毒的多样性和进化分化情况。聚球藻及其肌尾病毒中的psbA基因已经演化成两个独立的分化分枝，基于psbA的结果发现聚球藻肌尾病毒的多样性远高于其宿主。此外，不同的微型浮游光合生物及其噬菌体的psbA基因序列的GC和GC3含量有很好的线性关系，而且有明显的GC和GC3的分区现象。同样，在不同类群的聚球藻之间也发现了GC和GC3的分区现象，但是聚球藻肌尾病毒中的psbA序列没有明显的分区。聚球藻基因组中的GC3使得整个基因组的GC向着一个高值的方向进化，而聚球藻肌尾病毒基因组中的GC3是普遍低于基因组的平均GC值的。