微生物是海洋生态系统的重要组成部分,是海洋初级生产力和生物量的主要贡献者。氮(Nitrogen)是海洋微生物生长所必需的常量营养元素。在海洋生态系统中,氮的形态、含量和分布及其可利用性对微生物的组成、分布和群落结构等具有重要的调控作用。微生物长期生存于复杂的海洋环境中,而氮在绝大多数海区是限制因子。因而,了解不同海洋生境条件下微生物的多样性、氮利用策略及其对环境变动的响应,是深入揭示海洋微生物生态功能的前提。本论文以西北太平洋不同洋流作用区和南海海盆区的微生物为研究对象,运用高通量测序、荧光定量qPCR和IBT定量蛋白质组学技术,研究了不同生境下微生物群落多样性、分布特征和氮利用策略,并研究了不同氮源培养条件下聚球藻对温度升高的生理和分子响应,分析了环境因子与微生物群落分布的相关性,探讨了未来海洋增温对聚球藻细胞生长和生理的影响机理。取得的主要研究结果如下:(1)运用16S rRNA和nifH高通量测序技术在西北太平洋洋流作用区的表层海水中分别鉴定到521个不同浮游细菌OTU类群和204个不同固氮微生物OTU类群。浮游细菌群落主要由变形菌、蓝细菌和拟杆菌等组成。原绿球藻和假交替单胞菌是氮限制海域的主要类群,SAR86、SAR92和聚球藻主要分布在亲潮和黑潮融汇海域。来自蓝细菌的UCYN-A是寡营养海区单细胞固氮微生物群落中的优势类群,其它站位的固氮微生物类群则以变形菌为主。温度和NOx浓度分别是影响浮游细菌和固氮微生物分布最主要的环境因子;(2)运用16S rRNA和nifH高通量测序技术在南海海盆区分别鉴定到1427个不同浮游细菌OTU类群和749个不同固氮微生物OTU类群。原绿球藻和α-变形菌是表层浮游细菌群落的优势类群,表层以下水层,则由α-变形菌和Y-变形菌共同主导。调查海区表层固氮微生物类群主要由α-变形菌主导,表层以下水层β-变形菌和γ-变形菌的比重增加。氮、磷营养盐是影响浮游细菌生境内丰富度的主要环境因子,温度、溶氧、盐度和营养盐浓度共同影响了不同生境间的微生物群落结构和分布;(3)分析了西北太平洋和南海海盆调查海区微生物以及表层优势类群蓝细菌的氮利用相关基因的表达,发现氨转运蛋白和氨基酸转运蛋白在海区中普遍有相对高的表达量,来自蓝细菌的尿素转运蛋白在西北太平洋寡营养海区表层和南海北部SEATS站表层水体中的表达量较高,说明氨、氨基酸和尿素是调查海区微生物,尤其是蓝细菌生长所利用的主要氮源物质。在南海海盆南部的A2站,同时检测到高丰度表达的、来自原绿球藻的铁限制诱导蛋白和脲酶,推测铁限制能够增强蓝细菌对尿素的利用;(4)研究了不同氮源培养条件下聚球藻WH8102对温度升高的生理及分子响应,发现以硝酸盐为唯一氮源时,温度升高显著降低了细胞的生长速率、叶绿素a、总糖和总蛋白含量以及光合转换效率,而以尿素为唯一氮源时,细胞中仅总蛋白含量显著降低。碳酸酐酶活性在两种氮源生长的细胞中均显著降低,核酮糖1,5-二磷酸羧化酶活性在尿素利用组细胞中的活性较高。蛋白质组学的结果表明,温度升高破坏了细胞内羧酶体和核糖体结构,加剧了细胞内的氧化胁迫。该研究表明温度升高会抑制海区聚球藻细胞的生长速率,并对聚球藻细胞内的一系列代谢过程产生不利影响,但当聚球藻细胞以尿素为氮源时,通过积累具有抗氧化特性的玉米黄素、促进糖类在胞质内的累积等过程,一定程度上减轻温度升高带来的不利影响。