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好氧不产氧光合异养细菌（Aerobic anoxygenic photoheterotrophic bacteria,AAPB）是海洋中除蓝细菌和视紫质细菌外的第三大类原核光合生物类群。它们广泛的分布在各类水环境中,是上层海洋微生物群落的重要组成部分,对海洋碳循环和能量循环有着重要贡献。同时,AAPB在光合生物进化过程中也扮演着重要的角色,它们被认为是厌氧自养光合细菌和好氧异养细菌进化的中间状态。AAPB基因组的研究发现几乎所有参与光合作用的基因都集中在一起,形成一个超操纵子结构,称之为光合基因簇（Photosynthetic gene cluster,PGC）。PGCs在不同AAPB类群中是相对独立进化的,同时许多的证据表明PGCs还可以在不同的细菌之间进行水平基因转移（Horizontalgenetransfer,HGT）。因此,深入研究AAPB基因组,尤其是PGCs的特点,对理解它们的进化有非常重要的作用。遗憾的是,目前有关这方面工作开展的比较有限。本研究中,我们首先利用高通量菌落筛选仪器得到大量AAPB菌株,并对其中16株进行了基因组测序;接着选取柠檬酸属的AAPB基因组和玫瑰杆菌类群染色体外复制子（Extrachromosomal replicons,ECRs）携带 PGCs 的 AAPB 基因组分别进行比较分析;最后,我们搜集数据库中69株AAPB细菌基因组进行了大数据的整合分析。通过开展这项工作,希望可以更好的理解AAPB基因组和PGCs的进化特征。本研究获得的主要进展如下:1.AAPB菌株高通量分离。通过自主搭建的红外荧光筛选平台,利用不同的培养基,从不同环境中共分离到Alpha-变形菌纲四个科（Phyllobacteriaceae,Rhodobacteraceae,Erythrobacteraceae,Sphingomonadaceae）25个属的84株 AAPB细菌,其中11个属是以前没有报道过AAPB的新类群。这项工作不仅扩充了AAPB细菌的菌株资源库,同时也增加我们对AAPB多样性的了解。我们选取其中16株AAPB细菌进行全因组测序,研究了它们的系统进化和基因组特点。16株全基因测序的AAPB隶属于变形菌纲的Alpha-Ⅱ,Alpha-Ⅲ和Alpha-Ⅳ类群。它们PGCs上光合基因的组成可分为五种、保守区域含有两种不同的排列方式。三株细菌Panimaribius sp.G8、Thalassobius sp.WXO12和Porphyrobacter sp.YT40的PGCs被分离成2～3个比较固定的基因片段,暗示了这些片段可能是PGCs进行重组的基本单位。两株玫瑰杆菌类群的细菌Tateyamariasp.Syn59和Shimia sp.WX04的PGCs位于它们细胞内ECRs上。2.柠檬酸属AAPB细菌的比较基因组学研究。我们选取了分离于中国南海、地中海和热带大西洋的九株16S rRNA基因序列完全相同的柠檬酸属AAPB基因组进行研究。九株细菌基因组的大部分区域都呈现高度相似性。通过比较基因组分析,在它们的基因组上发现了九处基因岛区域（Geneticislands,GIs）,主要包含了第Ⅳ类型分泌系统、鞭毛合成、前噬菌体和一些接合整合元件等。这些GIs都是来源于HGT,它们对柠檬酸属AAPB基因组进化和分化发挥了重要作用。九株柠檬酸属细菌基因组的单核苷酸多态性（Single-nucleotide polymorphisms,SNPs）和基因组平均核酸相似性（Average nucleotide identity,ANI）的分析结果表明,分离于环境相对封闭的地中海的三株细菌RCC1878,RCC1897和RCC1885同其它细菌发生了长达几百万年的基因分化,并且三株RCC细菌已经进化成了一个新类群。因此,长期的地理隔离对细菌基因组的分化以及环境适应都有一定的影响。除此之外,我们首次证明了在自然环境中两套不同的PGCs在柠檬酸属的AAPB中广泛存在,这可能是该类群在环境中的特殊适应机制。本研究让我们对地理分布不同的柠檬酸属细菌基因组的进化和分化的有了新的认识。3.玫瑰杆菌类群中ECRs上PGCs特点和进化的研究。在玫瑰杆菌类群中PGCs不仅存在于AAPB染色体上,同时也存在于ECRs上。我们搜集了13株ECRs携带光合基因的细菌,它们来自于七个不同的属,离散分布在16S rRNA基因的系统进化树上。在光合基因系统进化上,13株细菌有两个独立的起源,这同它们含有不同的光反应中心puf操纵子（pufXMLABQ和pufCMLABQ）是对应的。此外,我们在Tateyamaria和Jannaschia属中发现了同时存在pufXMLABQ和pufCMLABQ的操纵子,它们位于同一个属不同细菌中而且是分别位于细菌染色体和ECRs上。这是ECRs调节的PGCs进行HGT的重要证据。根据携带PGCs的ECRs的密码子使用相对频率,可以将它们分为两种不同功能类型的ECRs,即质粒和chromids类型。类似质粒的ECRs主要功能是负责光合基因的传递和扩散,而类似chromids的ECRs则更稳定的存在细胞内,为细菌提供代谢服务。Jannaschia 属三株细菌（J.faecimaris DSM 1004020、J.pohangensis DSM19073和J.dongha ensisCECT7802）的ECRs上携带的PGCs结构同在染色体上的大部分PGCs相似,因此它们可能是代表了 PGCs从染色体转移到ECRs上最初的状态。我们提出了一个概念图去阐述ECRs调节光合基因HGT是导致AAPB在玫瑰杆菌类群中离散分布的重要原因。4.不同类群的AAPB基因组特点分析。69株全基因组测序的AAPB细菌隶属于Alpha-变形菌纲（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅳ类群）,Beta-变形菌纲和Gamma-变形菌纲。其中Alpha-Ⅳ是新发现的AAPB进化分支。光合基因的系统进化表明了Stakelama sp.CH028,Erythrobacter sp.AP23以及Acidisphaera rubrifaciens HP-AP三株Alpha-变形菌纲细菌的PGCs存在明显的HGT,其中细菌Acidisphaerarubrifaciens HP-AP的PGC很有可是来自于Beta-变形菌纲的光合细菌。通过分析69株AAPB的PGC结构,我们发现了新的保守区域的组合方式,即反向 crtF-bchCXYZ-puf和正向bch（M）L（H）BNF-pucc-puh,以及五种类型puf操纵子的组成形式,其中pufQALMC是一类新的puf操纵子。除此之外,Paracraurococcus属的两株AAPB细菌的PGCs上合成细菌叶绿素（Bacteriochlorophyll,BChl）的基因簇为bchFNBL,缺少了bchM和bchH两个基因,这暗示了它们可能存在新的Bch1合成途径。10对系统进化上相近的AAPB和non-AAPB细菌的基因组比较分析显示它们的保守蛋白和代谢途径都没有明显的差异,暗示了 AAPB细菌除光合代谢以外的其他重要特征主要取决于它们所在的细菌进化类群而非功能类群。最后分析了光合基因可能存在HGT的细菌基因组,发现前噬菌体、整合酶、第Ⅳ类分泌系统和ECRs都有可能是调节PGCs进行HGT的重要工具。