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蓝细菌是一种古老的光合生物,它可以依靠其自身复杂的信号调节网络,如环二鸟苷酸（bis-（3’,5’）-cyclic-dimeric-guanosine monophosphate,c-di-GMP）控制模块等快速调节自身生理和代谢过程以适应环境变化,因而在全球范围内具有广泛的分布。近年来人类活动一方面导致CO2排放量过高,全球气候逐渐变暖;另一方面导致水体富营养化加剧,在这些环境因素的共同作用下,蓝细菌异常增殖,形成蓝细菌水华反复爆发。微囊藻是水华蓝细菌中的优势种,广泛分布于世界各地。在自然水体中,微囊藻细胞在胞外多糖（extracellular polysaccharide,EPS）黏液的包裹下形成聚集群体,并能利用胞内的伪空胞（gasvesicles,GV）结构控制自身浮力以更有效地吸收光能、摄取营养物质。水华发生时,微囊藻群体快速聚集并漂浮在水体表面,影响了水生生态系统和水体水质。因此,把握微囊藻的群体聚集对于解析水华发生机制是十分必要的。此外,不同的微囊藻藻株具有不同的特性,部分微囊藻可以分泌多种非核糖体肽（nonribosomal peptide,NRP）类有害次生代谢产物,如具有肝毒性效应的微囊藻毒素（microcystin,MC）等,对人类和其他动物产生潜在危害。虽然微囊藻已引起国内外学者越来越多的关注,目前尚未有研究报道微囊藻胞内的环二鸟苷酸调控网络,对于微囊藻细胞的聚集形态与其胞内生理结构、生理响应的研究仍很少;而关于微囊藻NRP类合成基因的分布、进化历史,以及NRP的种类、毒性及抑制活性的多样性研究也十分有限。基于此,本文通过生物信息学手段对微囊藻进行比较基因组学分析,探究微囊藻的进化历史,认识环二鸟苷酸控制模块、NRP类次生代谢产物合成基因的分布及其多样性,并通过多种检测方法研究铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）细胞聚集形态的生理响应,为进一步探究微囊藻的环境适应性、水华发生机制及其危害提供分子遗传学和细胞生理学基础。本文主要研究内容及结论如下:（1）铜绿微囊藻CHAOHU 1326基因组测序和功能基因分析。CHAOHU 1326基因组全长为5.27 Mb,G+C含量为42.53%,含有4,617个蛋白编码序列（protein-codingsequence,CDS）,46 个 tRNA、4 个 sRNA 和一套（5S-16S-23S）rRNA编码基因。对功能基因进行分析,结果表明:CHAOHU 1326编码了完整的GV合成基因簇,由12个GV合成基因组成;该基因组中含有92个EPS合成基因,3个环二鸟苷酸代谢酶编码基因;此外,该基因组含有铜绿菌素（aeruginosin,AER）、cyanopeptolin（CPT）和 MC 等 NRP 类次生代谢产物合成基因簇,表明CHAOHU 1326为潜在的产毒藻株,具有分泌藻毒素的能力。（2）通过比较基因组学分析探讨了微囊藻基因组的进化历史、环二鸟苷酸控制模块及NRP类蓝细菌肽合成基因在微囊藻中分布,以及NRP的多样性。结果表明,微囊藻基因组所包含的CDS的数量与基因组大小呈线性关系。平均核苷酸一致性（average nucleotide identity,ANI）和系统发育关系分析结果表明,微囊藻属内各藻株在核苷酸水平上具有较高的相似性。泛基因组分析表明其核心基因组较为保守,而泛基因组具有较强的开放性。本文所研究的微囊藻属藻株基因组都编码了环二鸟苷酸代谢酶、信号传导及下游受体基因。基因得失分析表明环二鸟苷酸信号传导基因稳定存在于微囊藻属中。蛋白质结构建模分析结果显示,环二鸟苷酸代谢酶均具有与底物结合的保守氨基酸模体（motif）。通过识别微囊藻各藻株编码的次生代谢产物合成基因,发现大多数基因组含有AER、CPT及MC合成基因。对AER、CPT和MC合成基因簇编码的特异性结合底物的腺苷酰化结构域（adenylation domain,A-domain）底物进行预测,结果表明A结构域可以激活多种底物,NRP类蓝细菌肽具有不同的组成,因而可能具有不同的毒性及抑制活性。对A结构域进行选择分析,结果表明A结构域在进化过程中经历了纯化选择,而部分保守模体以及参与底物结合的氨基酸位点经历了正向选择。（3）探究了铜绿微囊藻细胞的群体形态与多糖和GV合成的关系。对铜绿微囊藻藻株进行形态对比分析,发现呈聚集胶团样生长的CHAOHU 1326细胞表面有厚EPS黏液层,细胞内有大量GV,而呈分散的单细胞的FACHB-925、FACHB-940和FACHB-975细胞表面只有少量分泌物,且不含GV。生长速率较低的CHAOHU 1326的EPS含量显著高于生长速率较高的藻株FACHB-925、FACHB-940和FACHB-975;CHAOHU 1326编码的合成EPS的关键基因均具有转录活性,而FACHB-925、FACHB-940的部分EPS合成基因不具备转录活性;此外,CHAOHU 1326基因组编码的GV合成基因均具有转录活性。暗示了CHAOHU 1326以聚集形态悬浮生长可能与其分泌较高含量的EPS及合成大量的GV有关。（4）分析了 L-精氨酸作用下铜绿微囊藻的胞内响应。转录组测序结果表明,微量L-精氨酸短时间刺激导致铜绿微囊藻氮代谢、固碳、精氨酸代谢、NRP及GV合成等过程的相关基因表达水平上调,同时影响了多种光合色素及光合系统相关基因的表达水平。检测铜绿微囊藻各藻株在不同浓度L-精氨酸作用下的各项生理指标,结果表明在低浓度（0.01、0.05和0.1 mM）L-精氨酸的作用下,铜绿微囊藻可以进行正常的细胞分裂和生长,且细胞MC合成增加;而高浓度（0.5和1 mM）L-精氨酸显著抑制了铜绿微囊藻的生长,显著促进了 EPS的合成、细胞的聚集及生物膜的形成,同时还刺激了藻株CHAOHU 1326释放MC。L-精氨酸的作用下,铜绿微囊藻胞内叶绿素a（chlorophyll a,Chla）及蛋白质含量的变化趋势与细胞密度变化基本一致,反映出铜绿微囊藻的生长状况。荧光定量逆转录 PCR（Real time reverse transcriptional quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR）分析结果表明L-精氨酸影响了铜绿微囊藻EPS合成基因、MC合成基因及环二鸟苷酸代谢基因的表达水平。（5）构建了铜绿微囊藻的环二鸟苷酸代谢基因hdp、下游受体纤维素合成酶基因celA及EPS合成基因bcsA的过表达藻株。基于不同策略,构建了表达质粒 pRL1342-hdp,pGEM-T-hdp,pGEM-T-bcsA 和 pGEM-T-celA,并用电转化法将表达质粒导入铜绿微囊藻细胞,分别构建了相应的过表达株HDP-1326,BCSA-1326和CELA-1326。通过抗性选择及PCR验证,筛选出了已导入各表达质粒的过表达藻株。