微生物是生物地球化学循环中不可缺少的组成部分,在平衡生态系统、调节动植物新陈代谢、预防疾病等方面具有重要功能。测序技术的快速发展积累了大量的微生物全基因组和宏基因组数据,为研究微生物遗传多样性、动态变化、环境适应性等提供了丰富资源,推动了微生物基因组的研究由个体基因组转向物种泛基因组和群落宏基因组。微生物泛基因组是一个微生物类群中的所有基因的集合。泛基因组分析可以揭示微生物物种水平的基因组异质性和多样性、系统发育和遗传变异。宏基因组是特定环境样品中所有微生物的基因总和。宏基因组分析可以捕获特定环境中所有微生物的动态行为、功能代谢谱和相互作用。微生物泛基因组和宏基因组的结合可以揭示单个微生物基因组与多个基因组以及群落之间的复杂联系,从而将微生物个体的基因组图谱扩展到整个物种和群落。为此,本课题采用泛基因组和宏基因组的分析方法,研究微生物在不同分类水平和群落水平的多样性,异质性,和进化模式。本研究一方面在属或目的水平上构建了希瓦氏菌属（Shewanella）、热球菌目（Thermococcales）、气单胞杆菌属（Aeromonas）的泛基因组图谱。在泛基因组水平研究这三类微生物的基因组成和功能,代谢机制,进化模式,以及个体菌株之间的遗传多样性,揭示希瓦氏菌属的铁还原途径、热球菌目的耐高温机制和气单胞杆菌属的致病性所涉及的关键基因的多样性和进化特征。另一方面,本研究将泛基因组扩展到宏基因组,对气单胞杆菌和人体肠道菌群进行联合泛基因和宏基因组的分析,揭示了气单胞杆菌及其毒力基因的多样性和跨人群的肠道微生物的分布模式。具体内容如下:1)在属的水平对希瓦氏菌的泛基因组研究揭示了希瓦氏菌属具有高度的基因组可塑性,在进化过程中大量的基因得失事件驱动了希瓦氏菌属基因库的变化。不同希瓦氏菌菌株的金属还原途径基因簇（Mtr）的组成和分布具有差异,该基因簇经历了强烈的纯化选择。该研究阐明了希瓦氏菌属的基因多样性和进化差异,同时揭示了纯化选择对稳定希瓦氏菌金属还原途径基因簇的重要作用,将有助于进一步研究希瓦氏菌在生物修复和代谢工程中的应用。2)在目水平的泛基因组研究揭示了热球菌具有开放型泛基因组。热球菌目的核心基因、非必需基因和菌株特异性基因具有不同的功能富集和进化约束模式。其分泌系统、防御系统和伴侣等基因家族具有不同的进化速率。此外,这些热球菌具有保守的热激蛋白编码基因,例如HSP20和HSP60,这些基因处于强烈的纯化选择作用之下,以维护其耐热和耐压等特性的稳定。这些结果揭示了热球菌在属和目水平上的基因多样性以及进化差异,将有助于更好地理解极端环境中热球菌的进化和代谢。3)联合泛基因组和宏基因组的研究揭示了与气单胞杆菌致病性直接相关的遗传因素的广泛存在。气单胞杆菌属具有一组核心的毒力因子,表明这些菌株均有致病的风险。基因收缩和扩张、水平基因转移驱动了该属致病性相关的特异性毒力基因库的差异。结合宏基因组研究发现,微生物群落中气单胞杆菌及其毒力因子对环境变化的响应是动态的,其丰度和多样性在鸡肉贮存过程中增加,表明了在鸡肉贮存可能会增加气单胞杆菌感染风险。该研究揭示了气单胞杆菌的基因多样性、进化关系和毒力基因特征,并将毒力基因的分布模式从单一个体扩展到泛基因组和微生物群落,加深了对气单胞杆菌及其毒力因子多样性的认识,将有助于检测和预防气单胞杆菌感染。4)泛微生物群和宏泛基因组的研究揭示了跨不同人群的健康肠道微生物组在群落水平和泛基因组水平的物种及基因多样性和特异性。重建的泛微生物组揭示了一个由434个细菌属组成的泛微生物菌群,其中发现Subdoligranulum、Faecalibacterium和Blautia是这些人群最核心的微生物群。同时,与肠型有关的三个细菌属的宏泛基因组研究揭示了人肠道中拟杆菌属、普氏菌属、双歧杆菌属的开放泛基因组和基因多样性,加深了对肠道微生物的全球分布格局的认识。总而言之,本研究结合不同分类水平的泛基因组、群落水平的宏泛基因组和泛宏基因组,揭示了环境微生物（希瓦氏菌、热球菌、气单胞杆菌）和人体肠道微生物在不同分类水平和群落水平的物种及基因多样性和异质性。