变形菌视紫质(Proteorhodopsin)是最近在海洋中发现的视紫质家族的新成员,它是一类与视黄醛结合的膜蛋白,能利用光能产生膜内外的质子梯度并合成ATP,为细胞提供能量。变形菌视紫质基因广泛分布于多个海洋类群,最初在α-变形菌和γ-变形菌中发现较多,后来在拟杆菌、广生古菌、β-变形菌和浮霉菌中也有报道。作为一种新的光能利用形式,这一基因在海洋中具有重要的生态意义,然而人们对于这一功能基因在不同海域的生态分布特征还缺乏足够的了解。本论文参考了马尾藻海环境基因组文库中的变形菌视紫质序列设计了一对简并性的引物,对这一基因家族在全球多个海域——包括太平洋、大西洋、印度洋、白令海以及中国海的多样性分布进行了全面的考察。实验共得到300多条不同的视紫质序列,系统发育分析推测它们主要来自变形菌纲,另有一部分来自拟杆菌和古菌类群。这些视紫质序列具有十分丰富的遗传多样性。规范对应分析发现,影响它们在全球不同海域多样性差异的环境因子主要包括营养盐、叶绿素浓度和盐度等。拟杆菌门是海洋中一个重要的细菌类群,在海水中的数量十分丰富,被认为是海洋中有机物质矿化的一个主要贡献者。目前视紫质基因已在5株可培养的拟杆菌中得到证实,并且它们在遗传上与其它类群的视紫质基因有较为明显的差异。基于这5条拟杆菌类群的视紫质序列,我们设计了一对特异性的引物,对这一类群的视紫质基因在中国东海和南海的多样性分布做了细致的调查,并结合全球海洋环境基因组文库对其在全球其它海域的分布做了进一步的分析。研究发现,拟杆菌类群的视紫质基因在中国海具有很高的遗传多样性,与之相似的序列在全球很多海域都有分布。系统发育分析显示,温度可能是影响这一基因在不同海域多样性差异的一个重要因素:来自东海和北大西洋沿岸的视紫质基因在序列上较为相似,可能与对温水环境的适应有关;来自南海和热带大洋海区的视紫质基因在序列上较为相似,可能与对暖水环境的适应有关;来自南极的两条视紫质序列与其它序列差异均较大,可能适应于冷水环境。除了温度,其它环境因子如水体的营养状况和盐度等也有可能影响视紫质基因在不同海域的多样性。通过分级过滤,我们发现视紫质基因同时存在于营自由生活和附着生活的拟杆菌中,并且在这两部分中具有不同的基因型。为了对拟杆菌类群的视紫质基因在不同海域的数量有所了解,我们采用了实时荧光定量PCR的方法对其在中国东海和南海的丰度进行了测定。结果表明,这一类群的视紫质基因在外海具有较高的丰度,超过近岸区域的两倍,说明含有这一基因的细菌在营养水平较低的海域可能具有更强的生存优势。此外,在南海北部的垂直剖面上,拟杆菌类群视紫质基因的数量随深度增加而骤然减少,可能与光强沿水深逐渐减弱有关。