生长在干旱、半干旱荒漠地域的干旱耐受蓝藻主要由鞘丝藻属,微鞘藻属,单歧藻属,眉藻属和念珠藻属所组成。为了适应周围恶劣的生存环境,如干旱,高紫外辐射以及频繁的干湿交替等不利因素,它们能够形成厚壁孢子,进入休眠状态,从而抵御长时间的诸如干旱等非生物胁迫。同时这些蓝藻作为生物荒漠土壤结皮的主要类群,在结皮的形成以及土壤的荒漠化防控上起到重要作用。然而关于干旱耐受蓝藻的分子遗传背景以及适应极端陆生环境的分子机制仍然不清楚,这主要受限于相关蓝藻匮乏的全基因组信息。为了填补这项空白,本研究完成了能够自由生长、耐受干旱的陆生食用蓝藻发菜的全基因组组装工作。基于基因组学和转录组学的大平台,本研究综合使用比较基因组,转录组以及分子遗传的方法探究了发菜适应陆生环境的遗传进化机制和响应UV-B信号的MAAs生物合成的调控机制。取得了以下主要研究结果:1.发菜全基因组测序及比较基因组研究。本研究综合使用二代和三代测序数据,完成了陆生食用蓝藻发菜全基因组组装工作。发菜基因组为10.23 Mb,由一个染色体和八个质粒组成,总共功能注释了 10,825个编码基因,这也使得发菜成为编码基因数最多的已完成全基因组组装的蓝藻。比较基因组研究发现了大量的参与Mobilome,DNA的复制/重组/修复和细胞周期循环/细胞分裂/染色体的分离相关的基因,阐释了发菜基因组进化的灵活性和可塑性,同时为揭示其适应频繁的干湿交替提供重要的理论依据。此外,通过对发菜全基因组数据的深入挖掘,本研究发现了其适应非生物胁迫耐受的遗传策略,如通过水平基因转移的方式获得了大量参与调节胞外多糖合成,适应紫外辐射,响应DNA损伤修复和氧化胁迫的基因。最后通过生物信息学的方法预测了 60个参与次生代谢物质合成的基因簇,极大程度上挖掘了发菜合成自然物质的潜力。2.发菜回复吸水转录组的研究。通过对发菜复水转录组的研究,建立了差异表达基因的表达模式,探究了快速适应复水后的光合恢复机制。复水过程中,围绕环式电子传递链相关的基因瞬时上调表达,导致跨类囊体膜的质子动力势的形成,从而有助于ATP的产生,进而快速启动了光合和代谢的恢复。此外瞬时上调表达的基因还涉及到信号转导/细菌光敏色素,传导光信号快速启动光合和代谢恢复;参与氧化胁迫,清除活性氧,保护DNA和蛋白免受氧化损伤;参与趋化运动,有助于藻细胞的移动和聚集。大量参与光合相关的基因,如PSⅡ的组装因子,放氧复合体,藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白,尤其是大量PSⅠ相关的基因上调表达,预示了 PSⅡ光起始了快速的光合恢复。厚壁孢子标识基因的下调表达和孢子萌发基因GerM的上调表达,展现出厚壁孢子响应复水后的快速萌发。发菜回复吸水转录组研究还发现了大量响应复水过程的下调表达的基因,如psbA,Hlip,OCP,Flvs,NblA,mys,scy等,预示着这些基因可能在响应非生物胁迫的过程起作用。3.发菜MAAs生物合成基因的转录调控。本研究使用生物信息学的方法,在发菜基因组中鉴定到一个由水平基因转移的方式获得的、五个基因组成的、参与MAAs生物合成的基因簇。DNA-蛋白亲和层析的方法在MAAs生物合成基因的有效启动子区域鉴定到一个正响应UV-B信号的、luxR家族的转录因子OrrA。功能实验表明该转录因子可作为UV-B信号的激活子,调节MAAs生物合成基因的上调表达和及其生物合成。更深入的研究采用免疫共沉淀的方法鉴定到与OrrA相互作用,可能参与上游信号转导组分的蛋白ORF5811。pull-down和酵母双杂交实验证实两者的相互作用。总之,发菜全基因组测序及比较基因组和回复吸水转录组的研究,为探索和了解干旱耐受蓝藻适应极端环境提供了重要的理论基础,同时对于野生发菜的人工养殖具有重要的指导意义。此外,转录因子OrrA及参与其上游信号转导组分ORF5811的鉴定,极大的有助于人们对响应UV-B信号的MAAs生物合成调控途径的认知。