挥发性有机硫二甲基硫（dimethyl sulfide,DMS）是全球硫循环的重要参与者,潜在参与全球气候调节。二甲基巯基丙酸内盐（dimethylsulfoniopropionate,DMSP）是海洋DMS的主要前体物质,也是海洋环境中含量最丰富的有机硫化合物之一。微生物是驱动海洋DMS/DMSP循环的主要参与者,微生物的生产与消耗对海洋中DMS和DMSP等有机硫化物的通量具有重要影响。除了参与全球硫循环和气候调节,DMS/DMSP还发挥许多重要生理和生态功能。前期研究表明,DMSP能够作为拒捕食的前体物质。当DMSP生产藻类被捕食时,破裂的藻体通过裂解释放的DMSP产生高浓度的丙烯酸,抵御藻食性浮游动物的进一步捕食。然而作为DMS/DMSP循环主要参与者的细菌是否存在这种以DMSP作为前体物质的拒捕食机制目前尚不清楚。极地海洋约占地球总面积的五分之一,在全球气候系统中发挥重要作用。已有的报道显示,北冰洋和南大洋中都检测到高浓度的DMS和DMSP,但目前对极地海洋中DMS/DMSP循环的深入研究仍相对较少。随着全球变暖,极地地区气候正在经历快速变化,尤其是海冰融化,使得DMS/DMSP产量减少,并可能进一步对全球气候产生影响。因此,揭示极地海洋DMS/DMSP循环的生物地理特征及相关生态功能的需求变得更为迫切。本论文通过生物信息学手段,以极地海洋的60份宏基因组数据、非极地海洋Tara Ocean的174份宏基因组数据和151份海洋宏转录组数据构建本地宏组学数据库,探讨了极地海洋中DMS/DMSP循环的生物地理特征。以携带DMSP裂解酶DddL的极地海洋细菌Puniceibacterium antarcticum SM1211为实验菌株,研究该菌株对丙烯酸的耐受情况和可能的丙烯酸积累机制。建立以纤毛虫Uronema marinum和海洋细菌P.antarcticum SM1211分别作为捕食者和猎物的基本捕食体系,研究了 DddL裂解DMSP产生丙烯酸对抗原生生物捕食的机制及其广泛性。论文取得研究结果如下:1.极地海洋DMS/DMSP循环的生物地理学特征我们系统研究了极地与非极地海水来源的宏基因组样品和宏转录组样品中16种微生物来源的DMS/DMSP循环相关基因的生物地理特征,分析结果表明,与非极地海洋相比,极地海洋中DMS/DMSP循环相关基因的丰度更高。DMSP脱甲基酶（DmdA）、DMSP裂解酶（DddD、DddP和DddK）和三甲胺单加氧酶（Tmm,将DMS氧化成二甲基亚砜）的编码基因是参与全球DMS/DMSP循环的最普遍的细菌基因。α-变形菌纲和γ-变形菌纲在极地海洋DMS/DMSP循环中发挥着重要作用。生物统计学分析结果显示,极地海洋中DMS/DMSP循环中的生物地理特征与采样深度显著相关,而与地理距离的无明显相关性。因此,在极地海洋中,影响DMS/DMSP循环生物地理分布的关键因素并非扩散限制,而是表层和深水生境的差异。2.DMS/DMSP循环相关酶共存现象分析在分析了极地海洋DMS/DMSP循环的生物地理学特征的基础上,我们以214份极地海洋来源的组装基因组和IMG/M数据库中的全部基因组为数据库,分析了 DMS/DMSP循环相关基因共存现象。研究发现极地海洋细菌中DMS/DMSP循环相关基因共存模式多样且相对较为普遍。与IMG/M数据库中细菌基因组相似,极地海洋参与DMS/DMSP循环的细菌基因组中,DMSP裂解途径与其他DMS/DMSP代谢途径之间共存现象最为频繁且多样,这可能与DMSP裂解途径的关键酶种类多样、进化来源广泛有关。3.Puniceibacterium antarcticum SM1211 丙烯酸积累特性P.antarcticum SM1211是分离自南大洋表层海水的模式菌株,其基因组中仅含有一种可能的DMSP裂解酶基因dddL。通过对P.antarcticum SM1211及其胞内dddL基因的研究发现,P.antarcticum SM1211能够裂解DMSP产生DMS,并且能够在胞外积累并耐受较高浓度的丙烯酸,但不能利用DMSP或丙烯酸为唯一碳源进行生长。P.antarcticum SM1211中DMSP裂解功能由DddL介导,蛋白定位分析结果显示,DddL是目前已知的9种DMSP裂解酶中唯一的膜结合蛋白。与其他DMSP裂解酶相比,尽管DddL对DMSP的Km也在mM量级,但其DMSP亲和力和裂解催化效率高于其他大多数裂解酶。因此,P.antarcticum SM1211可以通过膜蛋白DddL在细菌周质空间高效裂解DMSP,从而在胞外积累丙烯酸。4.极地海洋细菌胞外丙烯酸抵御Uronemamarinum捕食的化学防御机制前期研究结果表明,大型藻类和单细胞藻类可以利用DMSP裂解产生的丙烯酸抵御原生生物捕食,然而细菌中类似的防御机制目前仍未有报道。我们通过实验发现P.antarcticum SM1211能够裂解DMS在胞外积累丙烯酸,表明该细菌可能具有抵御原生动物捕食的能力。为了验证我们的假设,本研究以纤毛虫U.marinum和极地海洋细菌P.antarcticum SM1211分别作为捕食者和猎物,建立基本捕食体系,在有/无DMSP或dddL基因的情况下,研究纤毛虫短期捕食速率和长期生长速率的变化。实验结果显示,有DMSP的情况下,含有dddL基因的P.antarcticum SM1211菌株可以降低U.marinum短期的捕食效率和长期的生长速率,能够有效的抵御来自U.marinum的捕食。在捕食过程中,DMSP和DMS对U.marinum具有趋化吸引作用,而DddL裂解DMSP产生的丙烯酸能够发挥拒捕食功能。本研究在基本捕食体系的基础上,增加其它不含有dddL基因的海洋细菌作为食饵,进一步研究DMSP和DddL对纤毛虫捕食偏好的影响。实验结果显示,P.antarcticum SM1211通过DddL裂解DMSP在胞外产生的丙烯酸会对U.marinum食饵的选择产生影响,使得捕食压力转移到不含有dddL基因的细菌上,从而提高Pantarcticum SM1211在捕食过程中的存活率,调整细菌群落结构。5.海洋细菌胞外丙烯酸拒捕食的普适性为了探究dddL基因携带菌株拒捕食能力的普适性,我们进一步分析了dddL基因携带菌株的生态分布及系统分类多样性。本研究通过生物信息学手段,从IMG/M数据库的基因组中筛选出其它dddL基因携带菌株,通过实验检测了这些菌株对纤毛虫捕食及生长的影响。分析结果表明,dddL基因在咸水、沼泽以及生物共生体中有较为广泛的分布。除了P.antarcticum SM1211,其他携带dddL基因的菌株也能够以DMSP作为前体物质产生丙烯酸,并能抵御来自U.marinum的捕食。因此,DMSP裂解酶DddL介导的拒捕食策略在dddL基因携带菌株中具有一定的普遍性。综上所述,本研究结合宏基因组和宏转录组组学分析,首次系统分析了全球参与微生物DMS/DMSP循环的基因丰度及物种多样性,揭示了高DMS/DMSP通量的极地海洋中DMS/DMSP循环过程的生物地理特征,为进一步在酶学、代谢和循环过程层面上研究极地海洋微生物DMS/DMSP循环奠定了坚实的基础。同时,本研究在总结前人研究成果的基础上,结合分子遗传、生化和生态实验设计等手段,首次验证了海洋细菌利用DMSP作为前体物质,抵御纤毛虫U.marinum捕食的化学防御机制,揭示了 DddL裂解DMSP生成的丙烯酸能够改变捕食者的食物选择偏好,将捕食压力转移给群落中的其他细菌,从而影响群落结构和不同营养级的能量流动,为进一步探索海洋微型生态系统中生物间相互作用关系奠定基础。