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倍半萜类化合物土腥素(geosmin)和单萜类化合物2-甲基异茨醇(2-Methylisoborneol，2-MIB)是淡水水体中分布最广泛、最难闻的土霉异味的主要引起者。在富营养化水体中，蓝藻通常被认为是geosmin和2-MIB的主要生物来源。随着水体富营养化程度的日趋严重，由蓝藻引起的水体土霉异味问题频繁发生，对水生态系统以及饮用水安全等造成了严重影响，已经成为水环境研究方面的重点之一。本文在系统调查我国各种环境中产geosmin和2-MIB蓝藻多样性的基础上，对蓝藻中geosmin和2-MIB的合成相关基因进行了克隆与研究，对其在蓝藻中的进化历程进行了探讨。研究了光照和温度对蓝藻产geosmin和2-MIB的影响。建立了环境中产土霉异味蓝藻的分子定性与定量方法，运用克隆文库技术对我国4个水体的产土霉异味蓝藻进行了分子生态学研究。主要研究内容和结果如下:
1.从不同的生境中共分离到产土霉异味藻株52株，包括产geosmin蓝藻38株，产2-MIB蓝藻10株，既产geosmin又产2-MIB蓝藻4株。产geosmin蓝藻具有较高的多样性，在分类上包括8个属共14个种，产2-MIB的蓝藻包括2个属的3个种类，即Pseudanabaenasp.dqh15、Planktothricoidesraciborskii和Planktothricoidessp.，分离到的4株产geosmin和2-MIB蓝藻为Pseudanabaenasp.。本研究中分离的许多种类为首次报道产土霉异味。对部分藻株的异味产量的研究发现，蓝藻的geosmin和2-MIB的总产量一般在10-5-10-6ng·cell-1之间，不同藻株之间异味产量有较大的差别。
2.基于兼并引物PCR和染色体步移技术从水华蓝藻Ananaenaucrainica（乌克兰鱼腥藻）中克隆出了geosmin合成酶基因(gsy)的完整序列，通过对其合成基因侧翼区的扩增和比较，首次发现和证实在蓝藻中，geosmin合成酶基因与其下游的两个调控因子基因—环状核苷酸结合蛋白基因(cyclicnucleotide-bindingproteingene，cnb)位于同一个转录单位，组成了一个操纵子的结构。在此基础上，通过对代表性藻种的geosmin基因及其相应的持家基因16SrRNA和rpoC1基因的分子系统与进化分析首次发现，蓝藻的geosmin合成基因具有共同的起源，但是此基因在蓝藻类群内部的进化过程中经历了水平基因转移的过程(HGT)。
3.在世界上率先从产2-MIB蓝藻Pseudanabaenasp.dqh15和PlanktothricoidesraciborskiiCHAB3331中克隆出了蓝藻2-MIB合成相关基因。蓝藻2-MIB合成相关基因包括4个基因:1个SAM-依赖的甲基转移酶基因(mtf)，1个单萜环化酶基因(mic)和2个环状核苷酸结合蛋白基因(cyclicnucleotide-bindingproteingene，cnb)，这4个基因以操纵子的结构形成了一个2-MIB合成基因簇。在mtf和mic基因的协同作用下通过将GPP甲基化和甲基化GPP的环化两步反应将GPP催化合成为2-MIB。2-MIB合成相关基因的排列顺序的比较和基于基因序列的分子系统学分析发现，合成基因簇在进化的过程中发生了基因重排(generearrangement)，在蓝藻和放线菌中形成了两个不同的进化路线。
4.对不同光照强度和温度对蓝藻2-MIB和geosmin合成与2-MIB基因转录的影响进行了研究。2-MIB和geosmin的合成产量与藻细胞的生长状态及叶绿素a（Chla）含量呈现负相关关系，不适宜的光照和温度条件（逆境）会促进这两类土霉异味物质的合成。在不适宜细胞生长的光照或温度条件下，2-MIB和geosmin分泌到胞外的比例显著增加。弱光(10μmolprotonsm-2s-1)下2-MIB合成基因mtf和mic的表达水平上调，而强光(60μmolprotonsm-2s-1)下则下调。光是2-MIB合成基因调控的一个关键但不是唯一因子，其调控是一个快速的过程，一旦环境因子恢复到正常水平，基因的表达水平也在短时间内恢复。
5.建立了快速鉴别蓝藻藻株是否具有2-MIB和geosmin合成基因的PCR定性方法，验证了其准确性和灵敏度。对环境水体中的蓝藻2-MIB基因分别建立了基于SYBRGreenⅠ染料和TaqMan探针的实时荧光定量PCR方法，对环境水体中的蓝藻geosmin基因建立了基于SYBRGreenⅠ染料的实时荧光定量PCR方法。以本研究建立的荧光定量PCR方法对东湖、陆水水库和青海湖水体的蓝藻2-MIB基因、陆水水库与洱海的geosmin基因进行了定量研究。结果显示，除少数位点之外，这4个水体在大部分位点和时间都可以检测到蓝藻geosmin和2-MIB基因的存在，而且数量一般在104-106copies/L之间。
6.基于克隆文库测序对陆水水库、东湖、洱海和青海湖水体中蓝藻geosmin和2-MIB基因型的研究显示:陆水水库、东湖和青海湖的蓝藻2-MIB基因型主要为Pseudanabaena类型，陆水水库和洱海蓝藻geosmin基因型主要为Anabaena类型;同一位点不同深度水层中蓝藻geosmin和2-MIB基因型构成特征类似，无显著差异;各个位点的geosmin和2-MIB基因型构成随时间变化有明显的演替现象;陆水水库和青海湖样点中的蓝藻2-MIB基因型多样性显著高于东湖样点，洱海样点中的蓝藻geosmin基因型多样性显著高于陆水水库样点。