摘要
原绿球藻(Prochlorococcus)是地球上已知体积最小、数量最丰富的光合自养生物，其广泛地分布于热带、亚热带海域，是寡营养环境中的优势类群，也是海洋生态系统中最重要的生产者之一，在全球生源要素循环中发挥着重要作用。原绿球藻的进化过程独特，颇具研究价值。原绿球藻是最先被发现拥有基因缩减、GC含量降低等内共生菌进化特征的自由生活菌。内共生菌的这些特征被认为是反复的瓶颈效应导致遗传漂变加强的结果，而传统观点认为原绿球藻的有效种群规模巨大，因此进化过程由自然选择主导而遗传漂变微弱。学者们从自然选择的角度出发，针对原绿球藻提出了“寡营养适应理论”，认为其发生基因缩减、GC含量降低是为了更好地适应于寡营养环境。这种观点被广泛认可，但始终缺乏最关键的证据:原绿球藻的有效种群规模实际上并未经过严谨的测算。 有效种群规模(Ne)是判断一个物种在进化过程中自然选择作用和遗传漂变作用相对强弱的关键参数，准确测定一个原核生物的有效种群规模需要先进行突变积累实验获得其无偏差的自发突变速率(μ)。突变积累实验通过在固体培养基上进行连续的单克隆传代，维持生长过程中低水平的有效种群规模，规避自然选择的作用，理论上能保留细胞自我复制时发生的所有非致死突变，从而反映出物种自发突变速率的真实水平。由于固体培养困难、生长速度缓慢，原绿球藻在本研究之前从未进行过突变积累实验，因此缺少准确的突变速率，这使得原绿球藻有效种群规模巨大的猜想始终无法得到证实。 本研究首次开展了原绿球藻的突变积累实验，设置了150个高光Ⅱ型原绿球藻AS9601的突变积累系，完成了长达1065天的单克隆连续传代。通过全基因组测序以及突变的鉴定分析，最终测定高光Ⅱ型原绿球藻的突变速率为3.50×10-10 cell division-1 site-1。这个突变速率略低于原核生物的平均水平，否定了原绿球藻因为缺少关键DNA修复酶而拥有较高突变速率的猜想，不支持突变速率的提升驱动原绿球藻发生基因缩减的理论。AS9601发生突变时，GC替换成AT的速度是AT替换成GC的4.36倍，这种方向偏倚对应的GC含量平衡位点为18.6％，低于AS9601的实际水平，这说明原绿球藻基因组中GC含量降低主要受突变方向偏倚的驱动，而自然选择对抗突变偏倚，维持其GC含量。 在准确突变速率的基础上，本研究对数据库中418个高光Ⅱ型原绿球藻基因组进行了种群结构的划分，并据此计算出其有效种群规模为1.68×107。这个结果略高于内共生菌，低于大部分的自由生活菌，打破了原绿球藻的进化过程由自然选择主导的固有认知，揭示了遗传漂变在原绿球藻进化和生态适应过程中的重要作用。高光Ⅱ型原绿球藻存在大量的遗传孤立种群，他们各自拥有一些独特的基因，且呈现出较低的重组水平，基于这些结果，本文提出了原绿球藻进化与生态适应的新机制:原绿球藻存在众多遗传孤立种群，不同的孤立种群占据着不同的小生境，周期性选择在固定优势基因的同时将其所在的整个基因组一起固定，从而降低了原绿球藻的有效种群规模，强化了遗传漂变的作用。这为其他大洋优势类群的进化与生态适应研究提供了新的视角。 最后，本研究将原绿球藻的结果加入原核生物突变速率、有效种群规模以及基因组大小的数据集合，以此为依据重新检验了原核生物相关的进化理论以及它们对原绿球藻的适用性。结果表明:原绿球藻符合原核生物进化上的整体趋势，自然选择和遗传漂变对原绿球藻的作用方向与其他原核生物保持一致。包含原绿球藻结果的新数据集合支持“漂变障碍假说”，但由于准确测定了进化参数的原核生物数量过少，无法从根本上验证“基因组大小漂变假说”和“高速突变假说”。一些关键物种的进化参数有待进一步的测定。 本研究以原绿球藻的突变积累实验为基础，获得了原绿球藻的关键进化参数，解析了原绿球藻的进化过程，提出了原绿球藻新的进化机制，夯实了原核生物进化理论，为原核生物生态适应机制的研究拓展了思路。
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