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,可以占到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近50%,是海洋生态系统和生物地球化学循环的关键参与者。原绿球藻可分为高光适应（HL）和低光适应（LL）两大生态类型。HL型原绿球藻主要分布于海洋真光层的上层,主要包括HLⅠ和HLⅡ,分别适应低温和高温环境。HL型原绿球藻占全部原绿球藻的93%,而其中又以HLⅡ型占绝大部分。LL型原绿球藻球藻包含多个生态型,主要分布在真光层深层。西太平洋及南海表层具有低营养盐、低初级生产力、高温和高光照辐射的特点,同时有很高的原绿球藻丰度。但到目前为止,仅有少量原绿球藻株系和基因组在这些海区被报道。本研究通过现场分离和实验室富集培养,成功分离纯化和鉴定了 67株的原绿球藻株系,最终获得了西太和南海海区15个原绿球藻全基因组草图序列。研究是对西太平洋和南海首次大规模原绿球藻分离培养的基础性研究,有助于更好的了解原绿球藻的生物地理学分布,多样性和进化,也为在该地区系统的开展原绿球藻生理特征、生态分布和宏基因组学研究打下了基础,并取得了一些对原绿球藻基因组进化、生态型分化、生态适应和环境分布等方面的认识。论文从以下几个方面开展了研究:1.通过DNA提取、高通量测序和基因组拼接,最终获得了西太和南海两个海区15个原绿球藻全基因组草图序列,包括13个高光Ⅱ型（HLⅡ）和2个低光Ⅰ型（LLⅠ）原绿球藻,分别扩大HLⅡ和LLⅠ型原绿球藻的泛基因组到5.07M（约5500个基因）和2.66 Mb（约3000个基因）。通过全基因组DNA碱基平均相似性（average nucleotide identity,ANI）,全基因组蛋白质序列CVTree（Composition Vector Tree）等基因组组分进化分析方法,确认了 15株原绿球藻的生态型分类。2.利用对31个核心基因、基因重排（Genome rearrangement）和基因组骨架（genomic backbone）的分析,重建了原绿球藻的进化过程,并发现6株LLⅠ原绿球藻和10株LLⅡ/Ⅲ原绿球藻有复杂的进化类群。基因组重排在原绿球藻的进化中发挥了重要作用;发生基因组流线型化的原绿球藻生态型在其基因组大部分区域保持较高的共线性。基因重排的分布与基因岛相关,暗示基因岛可能是诱发基因组重排的活跃区域,从而对原绿球藻进化产生影响。基因组骨架分析表明,发生基因组流线型化的三个原绿球藻生态型共有一个保守的基因组骨架,但同时也有各自特异的区域,而这些区域中的基因与生态适应有关,揭示了原绿球藻基因组流线型化后LLⅠ、LLⅡ/Ⅲ以及HL三种进化方向,暗示原绿球藻的基因组流线型化可能发生在LLⅠ,LLⅡ/Ⅲ以及HL的分化之前。3.通过31株HLⅡ原绿球藻核心基因组的SNP比对构建了进化树,将HLⅡ型原绿球藻划分为8个主要的亚类群,并发现核心基因的SNP与亚类群的进化有关。通过比较基因组分析,我们将HLⅡ的泛基因组划分为核心基因组、亚生态型附属基因组和株系特异附属基因组三个部分,并发现他们分别对应不同的功能。同时发现,亚生态型附属基因组的进化与核心基因组SNP的进化相互对应,共同推动了 HLⅡ各亚类群的进化、分化和环境适应。除此以外,通过31个核心基因氨基酸序列进化时间分析,HLⅠ与HLⅡ可能分化于103-74Mya（百万年）,接近于高温的白垩纪中晚期。我们推测高温环境可能促进适应低温的HLⅠ和适应高温的HLⅡ的分化,以及HLⅡ型原绿球藻在全球海洋的分布。我们还在个别原绿球藻基因组的基因岛中发现了可能来自于病毒的主衣壳蛋白（major capsid protein,MCP）基因,并发现了一个潜在的基于tRNA-Pro病毒结合位点以及多次水平基因转移事件,暗示了原绿球藻与病毒的协同进化。4.通过分析南海西南部海域2011年夏季出现的一个偶极子中的微生物群落,更深入地认识了偶极子对包括原绿球藻在内的微生物群落的影响。研究结果表明,偶极子在垂直和水平方向上,对原绿球藻及微生物群落的结构和功能群都有重大的影响。在表层和次表层上,观察到了较大的α和β多样性差异,这与偶极子中主要细菌类群的分布变化一致。偶极子能够对微生物群落产生上升、下沉、富集、消耗和水平运输效应。同时还在偶极子边缘的深海发现了原绿球藻和聚球藻存在,暗示偶极子的边缘区域可能会诱发强烈的俯冲作用,将浅层生物群落带入深层。研究结果表明偶极子是原绿球藻及微生物群落变化的重要驱动因素。