绿藻(Chlorophyta)是古老的能进行光合作用的绿色植物(Viridiplantae)。南极衣藻(Chlamydomonas sp.ICE-L)属于单细胞绿藻,是南极海冰生态系统的重要生产者。南极海冰是地球上最极端的环境之一,冬季南极衣藻被困于海冰中的盐水通道中,需要经受冰冻,高盐度和低光照等极端环境胁迫。春夏季海冰融化,南极衣藻被释放到海水中并大量繁殖,同时需要经受由于臭氧层季节性变薄而造成的强紫外辐射。此前关于南极衣藻的研究从生理生化和少量基因角度初步揭示了其对南极极端环境的适应策略。目前随着绿藻的组学数据激增,使得可以从组学层面进行比较和进化分析,探究绿藻进化的历程及对极端环境的适应机制。光合作用是植物重要的能量转化过程,其效率会受极端环境的影响。光合作用的场所是叶绿体,并且叶绿体基因组可以编码光合系统的重要组件。本课题首先测序获得了南极衣藻的叶绿体基因组并结合已发表的12个绿藻叶绿体基因组进行了适应性进化分析。结果表明在极端生境绿藻的叶绿体基因组中仅有与光合作用相关的基因受到显著的正选择作用,分别在atp A、atp B、psa B、psb C和rbc L基因中检测到29个受到正选择作用的氨基酸位点,表明自然选择对不同功能基因特异的作用模式。同时,我们在atp B、psa B和rbc L三个受到正选择作用的基因中检测到趋同氨基酸替换,表明极端生境绿藻的光合作用基因可能受到相似的选择压力,这些结果揭示了绿藻对极端生境的适应可能呈现分子水平的趋同进化。趋同进化是指生长在相同环境的生物独立进化出相似的表型特征,表型特征的趋同与蛋白质序列中相同的氨基酸替换相关。在动物中趋同进化已经在组学层面被广泛研究,然而植物中仅在红树类群中有组学层面的趋同进化研究。本课题对两株嗜冷绿藻(南极衣藻和南极简单四豆藻)进行了转录组测序,同时结合已发表的绿藻基因组和转录组数据进行了正选择分析,发现南极衣藻和南极简单四豆藻中有大量相同的基因受到正选择作用,表明两株嗜冷绿藻可能受到相似的选择压力。进一步利用Convergence at Conservative Sites(CCS)方法对嗜冷藻中的趋同氨基酸替换进行检测,发现两株嗜冷绿藻呈现出显著的趋同进化信号。通过筛选最终得到54个经历了适应性进化的基因,对这些基因进行功能注释和富集分析发现它们主要涉及光合作用、抗氧化和翻译等过程,表明南极衣藻和南极简单四豆藻可能趋同进化出稳定的光合作用系统和多重的保护机制,也为南极嗜冷绿藻适应性进化的模式提供了线索。目前植物基因组层面的研究主要集中在模式植物和农作物,绿藻的基因组信息较为缺乏。本课题利用三代Pac Bio测序、二代Illumina测序、10×Genomics和高通量染色体构象捕获技术(Hi-C)获得了南极衣藻高质量的全基因组序列,其基因组总长度为541.86Mb,Scaffold长度中位数N50达到19.23Mb。南极衣藻基因组是目前已知最大的绿藻基因组,其基因数目也是绿藻基因组中最多的,共编码19870个基因。通过对南极衣藻基因组的结构进行比较分析,发现重复序列占其基因组序列的63.78%,其重复序列含量为已发表绿藻基因组中最高。转座元件(Transposable elements,TE)是南极衣藻基因组重复序列的主要组成部分,占整个基因组序列的40.67%。比较分析表明南极衣藻中的反转录转座子发生了明显的扩张,并且南极衣藻基因组没有发生全基因组复制(Whole genome duplication),推测是反转录转座子的扩张造成了其基因组的增大。比较基因组分析表明南极衣藻中涉及不饱和脂肪酸合成、DNA修复、离子转运、渗透压稳态和抗氧化等通路的基因家族发生了显著的扩张。南极衣藻通过水平基因转移获得了冰结合蛋白,推测对其在冰冻环境中的生存具有重要意义。此外,通过一系列差异表达分析,筛选了响应不同胁迫条件的基因,探究了基因组水平的表达响应,揭示一些发生扩张的基因家族同时也在转录水平积极的响应环境胁迫。综上所述,本课题基于南极衣藻的叶绿体基因组,转录组和全基因组数据对其适应南极极端环境的分子机制进行了系统的研究。本课题发现南极衣藻中与光合作用相关的基因经历了适应性进化,揭示了其对低温环境的适应经历了趋同进化。提供了南极衣藻高质量的全基因组序列,系统的探究了其基因组在极端环境中的进化模式,全面阐述了南极衣藻对极端环境适应性进化的分子机制。