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多糖是生物体重要的结构成分和能量储存形式。海洋中，有大量以多糖形式存在的有机碳。多糖降解是海洋碳循环的一个重要环节，细菌在其中起重要作用。多糖分子量大，不能被细菌直接利用，需先由多糖降解酶(Polysaccharide-Degrading Enzyme，PDE)降解为分子量较小的寡糖或单糖。近年来，对海洋细菌来源的新型PDE的报道逐渐增多，但是对于海洋细菌对各类多糖的降解能力，尚缺乏系统研究。解析海洋细菌各类群对多糖的降解能力对于阐明海洋碳循环的机制具有重要意义。本论文基于公共数据库中收录的基因组序列，对海洋细菌产PDE的潜力进行系统研究。
为了研究当前已知海洋细菌PDE的多样性，并提高后续对基因组中PDE基因注释的质量，本论文首先通过文献查阅，确认并收集了961条有实验数据支持的PDE序列作为参考序列，包括琼胶酶、褐藻胶裂解酶、卡拉胶酶、纤维素酶、几丁质酶、壳聚糖酶、岩藻多糖酶、透明质酸裂解酶、透明质酸酶和石莼多糖裂解酶共10种PDE。然后，整合BLAST和HMMER两个序列搜索比对工具，构建了PDE注释流程。该流程同时考虑了结构域组成、比对匹配范围和序列一致性，并采用了严格参数，以获得高准确性的注释结果。为了全面调查海洋细菌的产酶能力，从NCBIRefSeq数据库下载了全部基因组信息，基于基因组质量和BioSample数据库中基因组环境来源信息，共挑选了2，182个高质量海洋细菌基因组。用上述参考序列和注释流程，对这些基因组进行了自动化注释，在1，370个基因组中注释出9种(未注释出透明质酸酶)，9，335条PDE序列。褐藻胶裂解酶(3，756)、几丁质酶(3，171)和纤维素酶(1，470)是注释出序列数量最多且分布范围最广的三种酶，分别分布在7个门的107个属、7个门的110个属和12个门的181个属。岩藻多糖酶是注释出序列数量最少且分布范围最窄的PDE，仅在2个门的5个属中注释出11条酶序列。其余五种PDE的数量为95-470条，分布在2-5个门的22-39个属中。分析揭示了海洋细菌和一些真核类群共有一些相似的酶基因，表明存在跨越不同界的基因交流。
基于16SrRNA基因构建海洋细菌系统发育树，使用consenTRAIT算法计算每类PDE的平均性状深度(τD)。不同种类PDE的τD在0.0144-0.0281之间，对应94.4％-97.1％的16SrRNA一致度，表明PDE在属和属以下等级分类单元中的分布具有保守性。同时，通过计算Pearson相关系数和Jaccard距离表征不同种类PDE的分布是否存在相关性，发现琼胶酶与卡拉胶酶之间呈现正相关(r=0.51，p＜0.05;Jaccard距离0.67)。在12个属(基因组数≥25)中，多种PDE之间呈正相关(r＞0.4，p＜0.05;Jaccard距离＜0.75)。值得注意的是，几丁质酶和另外三种酶(纤维素酶、褐藻胶裂解酶和琼胶酶)之间呈负相关(r＜-0.4，p＜0.05;Jaccard距离＞0.75)，这可能与几丁质和其他多糖在海洋中分布环境的差异有关。PDE属内编码能力的差异说明，海洋细菌在属内可能发生了多次生活方式上的分化，而提高多糖利用能力可能是这一分化的重要驱动力。
针对序列数量最多的酶——褐藻胶裂解酶，选择最主要的PL6、PL7和PL17三个家族进行进化研究。对每个亚家族分别构建基因树，根据树的拓扑结构和序列物种来源将基因树分割为只含有单拷贝基因的子树，即亚家族。对于每一亚家族，根据基因树拓扑结构、基因的物种来源和基因在物种树中的分布，预测了不同目之间发生的水平基因转移(Horizontal Gene Transfer, HGT)。发现在不同目之间，三个亚家族均发生过多次HGT。γ-变形菌纲中的弧菌目(Vibrionales)和交替单胞菌目(Alteromonadales)以及拟杆菌门中的黄杆菌目(Flavobacteriales)是三个家族酶基因的主要来源，其他类群中的褐藻胶裂解酶很可能在与这些类群间的HGT事件获得。PL6、PL7和PL17家族在进化历史中至少分别发生了18、12和22次在目或更高等级分类单元之间的HGT事件。表明这些在远缘类群间频繁发生的HGT推动了褐藻胶裂解酶在多个类群间的扩散，形成了当今观察到的广泛分布。
综上，本论文通过系统的基因注释和进化研究，阐明了海洋细菌各类群对多种多糖降解潜力的异同，揭示了降解能力在属内的保守性和属间的差异。发现各远缘类群间广泛存在的HGT事件推动了褐藻胶裂解酶基因在多个海洋细菌类群的扩散。本论文对阐明海洋碳循环的机制以及海洋微生物的生态分化具有重要意义。
为了研究当前已知海洋细菌PDE的多样性，并提高后续对基因组中PDE基因注释的质量，本论文首先通过文献查阅，确认并收集了961条有实验数据支持的PDE序列作为参考序列，包括琼胶酶、褐藻胶裂解酶、卡拉胶酶、纤维素酶、几丁质酶、壳聚糖酶、岩藻多糖酶、透明质酸裂解酶、透明质酸酶和石莼多糖裂解酶共10种PDE。然后，整合BLAST和HMMER两个序列搜索比对工具，构建了PDE注释流程。该流程同时考虑了结构域组成、比对匹配范围和序列一致性，并采用了严格参数，以获得高准确性的注释结果。为了全面调查海洋细菌的产酶能力，从NCBIRefSeq数据库下载了全部基因组信息，基于基因组质量和BioSample数据库中基因组环境来源信息，共挑选了2，182个高质量海洋细菌基因组。用上述参考序列和注释流程，对这些基因组进行了自动化注释，在1，370个基因组中注释出9种(未注释出透明质酸酶)，9，335条PDE序列。褐藻胶裂解酶(3，756)、几丁质酶(3，171)和纤维素酶(1，470)是注释出序列数量最多且分布范围最广的三种酶，分别分布在7个门的107个属、7个门的110个属和12个门的181个属。岩藻多糖酶是注释出序列数量最少且分布范围最窄的PDE，仅在2个门的5个属中注释出11条酶序列。其余五种PDE的数量为95-470条，分布在2-5个门的22-39个属中。分析揭示了海洋细菌和一些真核类群共有一些相似的酶基因，表明存在跨越不同界的基因交流。
基于16SrRNA基因构建海洋细菌系统发育树，使用consenTRAIT算法计算每类PDE的平均性状深度(τD)。不同种类PDE的τD在0.0144-0.0281之间，对应94.4％-97.1％的16SrRNA一致度，表明PDE在属和属以下等级分类单元中的分布具有保守性。同时，通过计算Pearson相关系数和Jaccard距离表征不同种类PDE的分布是否存在相关性，发现琼胶酶与卡拉胶酶之间呈现正相关(r=0.51，p＜0.05;Jaccard距离0.67)。在12个属(基因组数≥25)中，多种PDE之间呈正相关(r＞0.4，p＜0.05;Jaccard距离＜0.75)。值得注意的是，几丁质酶和另外三种酶(纤维素酶、褐藻胶裂解酶和琼胶酶)之间呈负相关(r＜-0.4，p＜0.05;Jaccard距离＞0.75)，这可能与几丁质和其他多糖在海洋中分布环境的差异有关。PDE属内编码能力的差异说明，海洋细菌在属内可能发生了多次生活方式上的分化，而提高多糖利用能力可能是这一分化的重要驱动力。
针对序列数量最多的酶——褐藻胶裂解酶，选择最主要的PL6、PL7和PL17三个家族进行进化研究。对每个亚家族分别构建基因树，根据树的拓扑结构和序列物种来源将基因树分割为只含有单拷贝基因的子树，即亚家族。对于每一亚家族，根据基因树拓扑结构、基因的物种来源和基因在物种树中的分布，预测了不同目之间发生的水平基因转移(Horizontal Gene Transfer, HGT)。发现在不同目之间，三个亚家族均发生过多次HGT。γ-变形菌纲中的弧菌目(Vibrionales)和交替单胞菌目(Alteromonadales)以及拟杆菌门中的黄杆菌目(Flavobacteriales)是三个家族酶基因的主要来源，其他类群中的褐藻胶裂解酶很可能在与这些类群间的HGT事件获得。PL6、PL7和PL17家族在进化历史中至少分别发生了18、12和22次在目或更高等级分类单元之间的HGT事件。表明这些在远缘类群间频繁发生的HGT推动了褐藻胶裂解酶在多个类群间的扩散，形成了当今观察到的广泛分布。
综上，本论文通过系统的基因注释和进化研究，阐明了海洋细菌各类群对多种多糖降解潜力的异同，揭示了降解能力在属内的保守性和属间的差异。发现各远缘类群间广泛存在的HGT事件推动了褐藻胶裂解酶基因在多个海洋细菌类群的扩散。本论文对阐明海洋碳循环的机制以及海洋微生物的生态分化具有重要意义。