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光合作用是生物圈最基础也是最重要的能量转化过程，它使光能转化为化学能，提供地球上大部分生命活动所需的能量。尽管光能是高等植物和蓝藻等光合生物所必须的，但是过量的光能也会对光合生物造成损伤。在高光条件下，蓝藻和高等植物都会发生光诱导的光合效率下降，也称光抑制。蓝藻是地球上最古老的原核生物之一，蓝藻的有氧光合作用在地球大气成分改变的过程中发挥了重要作用。因为它们细胞结构简单，生长速度快，便于进行遗传操作，蓝藻已经成为非常适合研究光合作用的模式生物之一。
Synechococcussp.PCC7002是一种单细胞、广盐性的蓝藻，其最显著的特征是能耐受极高的光强，并且在最适的培养条件下生长速率非常快。为了研究蓝藻高光适应的机制，我们利用功能基因组学高通量的技术和手段，全面分析了在低光和高光条件下Synechococcussp.PCC7002基因表达模式的不同。取得了以下重要研究结果:
本研究首先利用二代测序技术对Synechococcussp.PCC7002在3个不同光照条件的6个RNA样品进行测序，得到了超过3400万条的高质量在基因组上特异匹配的非rRNAreads(81bp)，对Synechococcussp.PCC7002基因组的覆盖度高达130倍，几乎可以检测到Synechococcussp.PCC7002全部预测的基因。我们根据reads比对到基因组和基因上的信息，绘制了Synechococcussp.PCC7002全基因组水平的转录图谱。基于RNA-Seq数据，在全基因组范围内分析了其转录组的基本特征:确定了955个基因的5UTR和493个基因的3UTR区域;鉴定了操纵子结构和组成，以及1086个共表达的基因对。
基于不同光照条件的RNA-seq数据，分析了Synechococcussp.PCC7002强光适应条件差异表达的基因，鉴定了526个（Fold-change≥2或≤-2且p-value≤0.05）差异表达的基因，其中高光条件下转录上调的有311个，转录下调的有215个。GO功能分析和KEGG代谢途径分析表明编码藻胆体亚基以及PSI亚基的基因显著下调，与CO2固定以及应对光损伤的保护机制相关的基因显著上调。结果暗示细胞在强光条件下调整相关生命活动基因的转录水平以维持能量供应和能量消耗的平衡。
基于ICPL标记定量的蛋白质组数据，我们研究了Synechococcussp.PCC7002强光适应条件基因翻译水平的表达调控模式。分析鉴定了1121个蛋白，其中包含标记信息的624个蛋白，我们选择437个蛋白（至少包含两个标记肽段）用于后续分析。统计分析显示在高光胁迫条件，124个蛋白的表达水平显著上调，主要包括分子伴侣，蛋白酶，以及光保护机制相关的蛋白;而33个蛋白的表达水平显著下调，主要由藻胆体亚基和光合系统的蛋白组成。我们发现蛋白水平和mRNA水平的相关性不高，相关系数只有0.22。
蛋白质的可逆磷酸化是生物体内最普遍也是最重要的翻译后修饰，几乎调控所有的细胞生命过程。我们利用TiO2富集以及液相色谱-串联质谱联用(LC-MS/MS)，全面分析了Synechococcussp.PCC7002磷酸化蛋白质组数据。我们鉴定了266个磷酸化蛋白，367个特异的磷酸化肽段，其中Ser/Thr/Tyr残基的磷酸化分布为42.67％/44.21％/13.12％，单位点/双位点/多位点磷酸化的比例为54.7％/27.07％/18.23％。Synechococcussp.PCC7002中鉴定的磷酸化蛋白，是目前已经鉴定的细菌磷酸化蛋白质组中最多的。对磷酸化蛋白在整个代谢通路和调控网络中的初步功能分析表明，藻胆体亚基的蛋白，光合系统组分的蛋白，以及核糖体亚基和蛋白合成过程相关的蛋白都发生磷酸化修饰。因此，蛋白质的可逆磷酸化在蓝藻Synechococcussp.PCC7002中发挥极其重要的功能。
本研究在转录水平、翻译水平和翻译后修饰水平深入解析了Synechococcussp.PCC7002的强光适应的转录组、蛋白质组以及磷酸化蛋白质组，为Synechococcussp.PCC7002的基础生物学研究、基因工程以及工业应用提供了基础数据。