地质地球所研究发现古老趋磁细菌新类群

2011-1-20 11:31 来源: 中国科学院
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北京密云水库中新发现的两类硝化螺旋菌门趋磁细菌的荧光原位杂交(A至I)与透射电子显微镜照片(J和K)

  趋磁细菌是一类能够在细胞内合成纳米磁体矿或胶黄铁矿磁小体的原核微生物,目前已发现的趋磁细菌在系统发育上均属于变形菌门 (Proteobacteria)与硝化螺旋菌门(Nitrospirae)。其中,属于硝化螺旋菌门的趋磁细菌非常特殊,有些能在体内矿化合成数百至上千个呈多链排列的子弹头状磁小体;在湖泊沉积物的特定层位中,其数量可以达到该层位微生物总数的30%。因此,该类趋磁细菌在沉积物磁性以及铁、氮和硫循环中发挥重要作用,成为生物地磁学和生物地球化学研究的热点。但是,由于硝化螺旋菌门趋磁细菌尚不能在实验室纯培养,目前对这些趋磁细菌的多样性、生理生化特性以及系统进化所知甚少。

  中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室博士后林巍及其合作导师潘永信研究员等人,通过构建宏基因组文库、系统进化分析和荧光原位杂交实验,对北京地区湖泊沉积物中发现的硝化螺旋菌门趋磁细菌进行了系统研究,得到5条来自硝化螺旋菌门趋磁细菌的基因组DNA序列。这些序列包含完整的rRNA操纵子和众多可能编码蛋白质的基因。生物信息学分析显示,这些预测蛋白质具有重要的生理功能,包括催化活性、蛋白维持、信号转导、趋化性感受器、离子吸收和细菌运动等。这些研究结果有助于深入认识趋磁细菌的生理生化特性。

  此外,对目前所有已知硝化螺旋菌门趋磁细菌的16S rRNA基因进行系统发育分析发现,这些趋磁细菌分别位于2个进化分枝group 1和group 2中。他们通过比对进化分支中的趋磁细菌序列,设计了针对每个进化分枝的特异性探针,利用这些探针在北京密云水库中发现了2类新的硝化螺旋菌门趋磁细菌(见附图):一类为含有数百个子弹头状磁小体的巨型杆状趋磁细菌(5-10 μm);另一类为体型较小、磁小体数目较少的球状趋磁细菌(1-2 μm),后者在国际上尚属首次发现。

  目前所有已发现的硝化螺旋菌门趋磁细菌磁小体均为子弹头形状,这可能是这类微生物的共同特征,是快速识别沉积物中化石磁小体的重要标志。16S rRNA基因序列对比发现,硝化螺旋菌门趋磁细菌在系统发育树上属于最古老的一类趋磁细菌,它们可能出现在地球早期。

  上述研究成果对深入认识硝化螺旋菌门趋磁细菌的多样性、群落分布、遗传信息及进化具有重要意义。研究成果近期发表在美国微生物学会权威期刊Applied and Environmental Microbiology(Lin et al. Metagenomic analysis reveals unexpected subgenomic diversity of magnetotactic bacteria within the Phylum Nitrospirae. Applied and Environmental Microbiology, 2011, 77(1): 323-326)上。