舟形藻目隶属于硅藻门（Bacillariophyta）、硅藻纲（Bacillariophyceae），广泛分布于海水、半咸水、与淡水环境中，是硅藻中物种多样性最丰富的类群，在生态系统中扮演重要角色。舟形藻目（Naviculales）通常可划分为5个亚目、18个科，但目下阶元的系统发育关系仍然不明。其主要原因在于大多数研究仅依赖叶绿体或核糖体的部分基因片段，再加上采样不足和类群覆盖度较低，因此无法反映其确切的系统发育关系，由此阻碍了对舟形藻目演化生物学的研究。另外，舟形藻目是硅藻中出现时间最晚，却是物种多样性最高的类群，其中很可能存在快速辐射过程，但相关驱动因素及其环境适应机制还未见报道。

本研究针对上述问题，开展了舟形藻目物种全面的核基因取样，新获得83个舟形藻目物种的转录组数据，结合已发表数据，共得到100个高质量转录组数据（包括97个舟形藻目物种，3个外群物种），涵盖舟形藻目全部5个亚目及11个主要科级类群。通过对组装和注释后得到的蛋白质序列进行基因家族聚类分析，构建了两个直系同源基因数据集（S50_2525：2525个基因，50%覆盖度；S70_402：402个基因，70%覆盖度）。采用超矩阵串联模型与多物种溯源模型的方法对两个数据集进行系统发育分析和分歧时间估算，结合地质事件以及舟形藻目内部可能存在的全基因组复制事件（WGD），解析了舟形藻目多样化形成过程。此外，采用实验室模拟实验，探究了作为底栖类群代表的舟形藻目对海洋热浪的应答策略及分子机制。

主要研究结果如下：

（1）基于两个数据集构建的舟形藻目系统发育树具有较高的一致性，进一步证实了鞍型藻亚目（Sellaphorineae）的单系性，及其亚目下的鞍型藻科（Sellaphoraceae）与羽纹藻科（Pinnulariaceae）互为姐妹群的系统发育关系。明确了褐指藻科（Phaeodactylaceae）为双肋藻科（Amphipleuraceae）的姐妹群，伯克利藻科（Berkeleyaceae）为等半藻科（Diadesmidaceae）的姐妹群，普氏藻科（Proschkiniaceae）为辐节藻科（Stauroneidaceae）的姐妹群。

（2）分歧时间估算显示，舟形藻目与其姐妹群的分化发生在白垩纪早期（120.3 Ma），舟形藻目出现的时间约为116.6 Ma。在舟形藻目内部，舟形藻亚目（Naviculineae）与其姐妹群在109.1 Ma开始分化；长蓖藻亚目（Neidiineae）与褐指藻亚目（Phaeodactylineae）的共同祖先在100.3 Ma出现分化；双壁藻亚目（Diploneidineae）与舟形藻亚目+长蓖藻亚目+鞍型藻亚目在93.5 Ma开始分化；鞍型藻亚目与舟形藻亚目+长蓖藻亚目在87.5 Ma出现分化。

（3）通过系统发育学手段，确定了舟形藻目内7个未被报道的WGD，且都分布在舟形藻目内多样性较高的类群中，其中斜纹藻科（Pleurosigmataceae）经历2次WGD，舟形藻科（Naviculaceae）经历3次WGD，鞍形藻科经历1次WGD，双壁藻科（Diploneidaceae）经历1次WGD。结合分歧时间分析发现，这些WGD均分布在K-Pg界限、始新世地球温暖期与中中新世气候转变期，表明地质事件很可能是驱动舟形藻目发生WGD的重要因素。比较发生在不同时期的WGD保留基因的功能发现，重要的功能基因通常会在同时期所有的WGD中被保留，发生在K-Pg界限的斜纹藻科2个WGD中有57个共有基因，且包含3个转录因子（SBP、C3HC4、HSF），这些转录因子在斜纹藻物种适应当时低温、低光环境条件时发挥了重要作用；发生在中中新世气候转变期附近的2个WGD中共发现30个共有基因，其中4个（DnaJ、HSF、FAD、FAH）涉及在低温胁迫条件下维持藻细胞光合能力与细胞膜稳定性；发生在始新世温暖期的3个WGD有12个共有基因，其中3个（HSF、Pkinase、CRAL_TRIO）参与了藻细胞热胁迫应答以及抗氧化等相关通路。比较不同科内的4个WGD发现，复制事件后的保留基因在舟形藻目中具有明显的功能偏好性，集中在刺激应答、代谢过程、生物调节等6个主要的生物过程中，且有多个与大分子物质代谢物和定位有关，暗示大分子物质在舟形藻目快速辐射及应对环境变化过程中起着关键作用。

（4）不同生活型硅藻类群对于海洋热浪的响应策略与应答机制存在显著差异。作为底栖硅藻的代表类群，舟形藻目物种Navicula avium选择下调TCA循环和核苷酸合成过程，同时上调脂肪酸和氨基酸合成代谢通路来储存更多的大分子（脂质、蛋白质），这些大分子物质可作为碳和氮的储存库，维持N. avium在高温胁迫条件下基本的代谢活动，并帮助其在环境适宜时快速复苏。这一新发现表明WGD后保留基因是决定舟形藻目应答策略的重要因素。与N. avium相比，浮游硅藻Pseudo-nitzschia multiseries采取了不同的应答策略。它通过上调玉米素与不饱和脂肪酸合成代谢通路，并下调物质与能量代谢（糖酵解、TCA循环、碳与氮的吸收）来快速增加细胞数量，从而增加自身扩散至适宜环境的机会。另一方面，兼性硅藻Paralia guyana展现了更强的生理调节能力来维持自身稳态，包括激活叶黄素循环、合成更多抗氧化物质以及与热应答有关蛋白。

总之，本研究利用转录组数据对舟形藻目进行系统发育分析，理清了高阶元之间的亲缘关系与演化历程，明确了驱动舟形藻目物种快速辐射的重要因素以及面对极端环境时的应答策略与分子机制。这些成果为更深入研究物种起源和多样化过程提供了理论依据，为了解白垩纪以来舟形藻目的快速辐射提供新的线索，为预测全球气候变化背景下硅藻的进化方向提供了重要的参考。

第1章 绪论... 1

1.1 硅藻概述... 1

1.1.1 硅藻简介... 1

1.1.2 硅藻的起源... 3

1.1.3 硅藻的分类学研究... 3

1.2 舟形藻目概述... 8

1.2.1 舟形藻目分类学研究... 8

1.2.2 舟形藻目系统发育研究... 11

1.2.3 舟形藻目快速辐射的驱动因素... 14

1.2.4 舟形藻目环境适应性研究... 15

1.3 转录组概述... 16

1.3.1 转录组学及其在藻类研究中应用... 16

1.3.2 系统发育转录组学及其在藻类研究中的应用... 17

1.4 研究目的和意义及科学问题... 18

1.4.1 研究目的... 18

1.4.2 研究意义... 19

1.4.3 拟解决的科学问题... 19

第2章 基于转录组的舟形藻目系统发育重建... 21

2.1 引言... 21

2.2 材料与方法... 22

2.2.1 样品采集与藻株分离... 22

2.2.2 标本制备与形态学鉴定... 23

2.2.3 RNA提取... 24

2.2.4 转录组测序、质控及组装... 25

2.2.5 基因功能注释... 27

2.2.6 直系同源基因筛选... 27

2.2.7 系统发育树的构建与拓扑结构验证... 30

2.2.8 分歧时间估算... 31

2.2.9 多样化速率计算... 32

2.3 研究结果... 32

2.3.1 转录组组装结果... 32

2.3.2 直系同源基因的筛选与数据集构建... 35

2.3.3 舟形藻目系统发育分析... 35

2.3.4 舟形藻目分歧时间分析... 40

2.3.5 舟形藻目多样性速率与地质事件的联系... 43

2.4 讨论... 44

2.4.1 舟形藻目下各亚目间的系统发育关系... 44

2.4.2 舟形藻亚目下各类群系统发育关系... 45

2.4.3 鞍型藻亚目下各类群系统发育关系... 46

2.4.4 褐指藻亚目系统发育关系... 47

2.4.5 舟形藻目起源及目下各类群演化过程... 48

2.5 小结... 49

第3章 舟形藻目全基因组复制事件... 50

3.1 引言... 50

3.1.1 全基因组复制事件研究概述... 50

3.1.2 全基因组复制事件的意义... 51

3.1.3 全基因组事件研究方法... 52

3.2 材料与方法... 53

3.2.1 基于系统发育的WGD推断... 53

3.2.2 WGD基因功能注释与GO富集... 53

3.3 研究结果... 54

3.3.1 舟形藻目内WGD分析... 54

3.3.2 WGD后保留基因GO富集分析... 56

3.3.3 不同类群间WGD后保留基因功能分析... 58

3.3.4 不同时期WGD后保留基因功能分析... 59

3.4 讨论... 63

3.4.1 地质事件是导致舟形藻目发生WGD的重要因素... 63

3.4.2 WGD在舟形藻目环境适应中扮演重要角色... 64

3.4.3 不同时期WGD保留基因拥有不同的功能偏好性... 65

3.5 小结... 67

第4章 基于转录组探究舟形藻对海洋热浪的适应机制... 69

4.1 引言... 69

4.2 材料与方法... 70

4.2.1 藻种选择... 70

4.2.2 海洋热浪模拟实验... 70

4.2.3 藻细胞密度与叶绿素荧光参数测定... 70

4.2.4 RNA提取与纯化... 71

4.2.5 测序、质控与组装... 71

4.2.6 转录组分析... 71

4.3 研究结果... 72

4.3.1 热浪对不同硅藻细胞生长与光合作用的影响... 72

4.3.2 热浪条件下不同硅藻差异基因数量与GO富集分析... 74

4.3.3 热浪对不同硅藻特定代谢通路的影响... 78

4.3.4 热浪条件下不同硅藻抗逆基因的变化... 83

4.4 讨论... 84

4.4.1 不同硅藻对海洋热浪的应对策略与分子机制存在显著差异... 84

4.4.2 WGD后保留基因是决定舟形藻目应答策略的重要因素... 86

4.5 小结... 88

第5章 结论与展望... 90

5.1 结论... 90

5.2 创新点... 91

5.3 展望... 91

参考文献... 93

附录... 109

致谢... 154

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果... 156