高光型原绿球藻亚生态型分化与环境适应研究

Prochlorococcus is the most abundant and smallest free-living photoautotrophic bacterium, a key player in the marine ecosystem and biogeochemical cycle. This microorganism can account for nearly 50% of photosynthetic biomass and net primary productivity in oligotrophic tropical and subtropical waters. Among Prochlorococcus, the high-light (HL) ecotype mainly distribute in the upper layer of euphotic zone, constituting more than 90% of all Prochlorococcus. HL Prochlorococcus can modify its genome and adapt to different environments by using sub-ecotype differentiation, thus making it, as a whole, becoming the dominant species in its environment. In this project, new Prochlorococcus strains will be isolated from the South China Sea and the west Pacific Ocean, and their genome features will be disclosed by high-throughput sequencing. Together with all available Prochlorococcus genomes, the sub-ecotype differentiation process will be reconstructed using comparative genomic analysis. Furthermore, the HL sub-ecotype distributions in the marine environment will be revealed through searching against the TARA Oceans metagenome database. Separately, the driving forces involving in this ecotype differentiation will be verified by using laboratory experiments. This project will improve our understandings on the physiological characteristics, genome differentiation, biogeographical distribution of the Prochlorococcus HL sub-ecotypes, and reveal the key environmental factors leading to the sub-ecotype differentiation and environmental adaptation.

原绿球藻是目前已知的数量最多、细胞体积最小的产氧光合微生物，可以占寡营养热带和亚热带海区光合生物生物量和净初级生产力的50%，因而是海洋生态系统和生物地球化学循环的关键参与者。高光型（HL）原绿球藻主要分布于海洋真光层的上层,占全部原绿球藻的90%以上。HL型原绿球藻通过亚生态型的分化，提高其基因组多样性，环境适应能力增强，从而使其作为一个整体，成为其所在环境的主导物种。本研究拟通过分离培养和高通量测序，获得南海和西太平洋海区原绿球藻株系及基因组；基于比较基因组学，分析HL型原绿球藻亚生态型的分化过程；开展室内培养实验，研究环境因素对HL型原绿球藻亚生态型的影响，结合海洋宏基因组数据库，分析不同HL型原绿球藻亚生态型在海洋环境中的分布。本研究将提高对HL型原绿球藻亚生态型的生理特征、基因组差异、生物地理学分布的认识，揭示主导HL型原绿球藻亚生态型分化的环境适应关键影响因素。

高光型（HL）原绿球藻是海洋重要的初级生产者，是“海洋碳汇”的重要贡献者。HL型原绿球藻高度流线型化的基因组，降低了原绿球藻个体的代谢潜能，从而使其对环境适应能力下降。经过三年的研究，本项目构建了HLII型原绿球藻亚生态型的基因组进化关系，成功划分了不同的HLII型原绿球藻亚生态型。通过分析基因组的基因代谢潜能差异，推测了HLII型原绿球藻亚生态型的分化过程。通过用海洋宏基因组数据库，发现了温度等环境理化因子对HLII型原绿球藻亚生态型生物地理分布的影响。最后，建立了在未来全球气候变背景下的HLII型原绿球藻亚生态型分布和相对丰度变化模型。预测到21世纪末，HLII-SG的相对丰度将增加35%（RCP 8.5）,而HLI和HLII-DG相对丰度将减少，与此同时, 低纬度海区原绿球藻群落结构和多样性可能发生改变，指示HL型原绿球藻可能发生大规模的精细尺度的变化，而这些变化可能造成重大生物地球化学影响。本项目研究认为HLII型原绿球藻通过多样的生态型和亚生态型,提高其基因组多样性以及环境适应能力, 从而使HLII型原绿球藻作为一个整体, 成为其所在环境的主导物种。