微囊藻水华是淡水生态系统中最常见的蓝藻水华种类，也是我国淡水水体中最普遍、发生频次最高的蓝藻水华。过去的十多年，政府和社会持续加大水环境的整治力度，在一定程度上遏制了以蓝藻水华为主要表现形式的水环境恶化的趋势。与此同时，全球气候变化及人类活动的加剧，有害微囊藻水华在一定的时空范围内出现增长趋势。微囊藻水华的暴发，会产生大量有害的次级代谢产物，持续威胁着水生态系统与公共安全。虽然微囊藻属是研究最多的水华蓝藻种类，但关于其全球性分布的分子机制，目前尚不清晰。研究发现微囊藻具有极强的环境适应性与表型多样性。比较基因组学发现，微囊藻属的基因组高度开放、具有极强的可塑性，不同藻株基因组无论在基因组成、数目与排列等都有较大差异:每株微囊藻均包含有数百至上千个藻株特有基因，而核心基因数目仅为2100个左右，少于各藻株基因数目的1/2，这些研究可部分解释微囊藻不同藻株间的表型多样性。不足的是，迄今的研究未能探讨微囊藻基因组演化的策略，从而难以阐述微囊藻全球分布的生态学机制。基于微囊藻基因组相关的研究进展较缓慢，多数微囊藻基因组高度片段化等现状，本论文利用全新的三代测序——单分子实时(Single Molecule Real-Time，SMRT)测序技术，获得了铜绿微囊藻模式株PCC7806(为区分本实验藻株与该藻株2008年版本基因组，特将本实验藻株命名为PCC7806SL)的全基因组序列;结合近几年发表的微囊藻基因组数据，分析了微囊藻属基因组进化策略。同时，依据SMRT可检测基因组甲基化修饰的特性，鉴定比较了微囊藻属甲基化修饰与甲基转移酶系统，并整合SMRT与转录组测序，探究甲基化修饰介导的表观遗传调控在微囊藻胁迫应答过程中的作用。主要研究内容与结果如下:　　(1)利用SMRT测序技术，组装得到铜绿微囊藻PCC7806SL的完整基因组序列，并结合转录组数据，对这一藻株的基因组注释进行了验证与优化，获得了PCC7806SL藻株迄今最全面精细的编码信息;　　(2)对PCC7806与PCC7806SL基因组进行序列比对分析，同时对微囊藻NIES-843进行重测序分析，明确了微囊藻基因组结构的稳定性特征，其在长达10年的实验室培养过程能保持基因组结构稳定。之后结合生理实验与基因组测序，验证了短期氮缺乏胁迫条件微囊藻亦能保持非常良好的基因组结构与序列稳定性。　　(3)收集已发表微囊藻基因组序列，构建基因组系统发育树，结合六株高质量组装微囊藻基因组的分析，提出微囊藻基因组进化策略为基因组简化，即微囊藻的进化方向是从大基因组藻株向小基因组藻株发展，这一过程伴随着非核心基因（如插入序列、次级代谢产物合成基因簇等）的丢失与基因组重排。此外，鉴定获得一个具有基因组特征的藻株类群(Clade)，表现为不产微囊藻毒素、较小的基因组尺寸(＜4.57Mb)、低含量的基因组重复序列等;进一步分析发现这一类群与惠氏微囊藻存在紧密的联系。　　(4)对经SMRT测序获得的三株微囊藻甲基化组进行比较分析，鉴定获得18个全新的甲基化修饰位点;藻株间甲基化修饰模式差异巨大，鉴定到的35个位点中，仅6个为三株微囊藻共享。对五株微囊藻进行限制-修饰系统挖掘与比较，确定微囊藻之间甲基转移酶系统差异巨大。鉴定到的63个甲基转移酶家族中，仅有20个为所有五株藻共享。将微囊藻属与REBASE数据库比对，确定其拥有数目巨大的修饰位点与甲基转移酶数目，其中微囊藻NIES-843拥有迄今为止数目最高的甲基转移酶;对微囊藻属甲基转移酶序列，以及微囊藻属与其他细菌进行比对分析，确定水平基因转移在微囊藻庞大的限制-修饰系统的形成中发挥巨大作用。　　(5)为明确微囊藻甲基化酶系统在微囊藻胁迫应答调控中的作用，本论文结合SMRT与RNA-seq，分析氮缺乏与磷缺乏下微囊藻PCC7806SL多组学的响应模式。结果显示，三种氮缺乏处理中均有大量基因出现差异表达，但转录水平响应模式与氮源类型无关。对胁迫条件下的甲基化组响应进行分析，确定下胁迫条件下大量甲基化酶表达量上升，但全基因组甲基化水平差异不大，表明在上述条件下，甲基转移酶并非通过全局调控行使功能。进一步观察调控区域各位点甲基化修饰模式与对应基因表达量变化的相关性，确定了一部分基因，其表达受DNA甲基化修饰介导的表观遗传方式调控。　　以上研究明确了微囊藻基因组进化策略，发现了微囊藻基因组极高的甲基化修饰水平与庞大的甲基转移酶系统，通过实验验证了甲基化修饰介导的表观遗传调控在微囊藻的存在。本文为深入认识微囊藻全球性分布的环境适应性的分子机制提供了新的证据和见解，也为全面评估淡水水体微囊藻水华未来发展趋势与生态风险提供了理论依据。