随着测序技术的发展和测序成本的下降,越来越多的细菌基因组被测序。基因组数据的大量积累使得微生物学家发现同一个细菌物种内的基因组也存在较大差异,用单一菌株的基因组代表整个物种的基因集合是不准确的。2005年,泛基因组概念的提出为我们研究细菌物种多样性提供了新的方法,对于我们理解细菌演化、环境适应性和基因组结构变异,以及疫苗设计或者毒力基因识别等具有重要意义。泛基因组学作为比较基因组学的一个延伸,为我们了解基因组之间的共性和特性提供了一个很好的方法。本研究主要利用泛基因组学方法研究链霉菌(Streptomyces)的海洋环境适应机制。本研究通过对9株从南海海区不同经度、纬度和深度的沉积物以及柳珊瑚中分离的链霉菌基因组进行测序、拼接和注释,结合22株从美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)下载的、具有不同生境来源并与上述9株亲缘关系较近的链霉菌进行泛基因组学分析、物种演化分析和比较分析揭示链霉菌的海洋环境适应机制。泛基因组学分析表明链霉菌属具有开放型泛基因组,这与该属生存环境多样性特征相符合；基于单拷贝核心基因的物种演化分析将31株链霉菌分成两大分支,其中一个分支18个菌株中只有1株分离自人类,其他17株均为海洋来源,称为海洋来源分支,另一个分支的13个菌株具有多个生境(海洋、土壤、昆虫和植物等)来源,称为多重来源分支。对两个分支的链霉菌进行比较获得以下结果：i)物种演化过程中的基因得失分析显示在进化的早期,两个分支的祖先都经历了更多的基因获得事件,并且多重来源分支的祖先比海洋来源分支的祖先多得到了约6/7的基因,导致该分支的菌株普遍具有较大的基因组；ii)对两个分支内部以及两个分支之间的基因序列一致性进行分析,发现海洋来源分支链霉菌单拷贝核心基因序列的一致性较差,反映了海洋链霉菌基因间组存在较大的变异；iii)两个分支核心基因的直系同源基因簇(Clusters of Orthologous Groups, COG)功能富集分析显示海洋来源分支链霉菌富集了更多与翻译、核糖体结构及生物发生,以及翻译后修饰、蛋白质转换、分子伴侣相关的功能,这可能有助于在低温和高压环境下蛋白质折叠和保持功能稳定性；iv)根据转运蛋白分析数据库(Transporter Protein Analysis Database, TransportDB)中的转运蛋白家族分类,海洋来源分支链霉菌具有较多与渗透压和低温适应性、寡营养适应性以及其他与海洋环境适应性相关的转运蛋白家族；v)比较两个分支中响应环境信号的代谢通路,表明海洋来源分支链霉菌中更多的富集了磷酸盐吸收两组分信号系统、半乳糖低聚物／麦芽低聚糖ATP-结合盒(ATP-binding cassette, ABC)转运蛋白系统、多糖ABC转运蛋白系统以及抗坏血酸盐(L-Asorbate,维生素C)磷酸转移酶系统(Phosphotransferase system, PTS),这些系统有助于链霉菌在营养匮乏的环境中充分利用营养物质。另外,海洋环境中具有大量的噬菌体,达到细菌数量的5-10倍,我们发现海洋来源的链霉菌具有更多规律问隔的短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR)元件,CRISPR元件中的间隔序列通过类似RNA沉默的机制抗噬菌体,较多的CRISPR元件也体现了海洋来源的链霉菌对海洋环境的适应性。本研究通过分析发现海洋链霉菌中富集了更多与低温、高压、寡营养的海洋环境相适应的功能基因、转运蛋白和代谢通路,以及具有更多抗噬菌体的CRISPR元件。综合起来看泛基因组学分析是研究微生物环境适应机制非常有效的方法。