地質地球所研究發現古老趨磁細菌新類群

北京密云水庫中新發現的兩類硝化螺旋菌門趨磁細菌的熒光原位雜交（A至I）與透射電子顯微鏡照片（J和K）

　　趨磁細菌是一類能夠在細胞內合成納米磁體礦或膠黃鐵礦磁小體的原核微生物，目前已發現的趨磁細菌在系統發育上均屬于變形菌門 (Proteobacteria)與硝化螺旋菌門(Nitrospirae)。其中，屬于硝化螺旋菌門的趨磁細菌非常特殊，有些能在體內礦化合成數百至上千個呈多鏈排列的子彈頭狀磁小體；在湖泊沉積物的特定層位中，其數量可以達到該層位微生物總數的30%。因此，該類趨磁細菌在沉積物磁性以及鐵、氮和硫循環中發揮重要作用，成為生物地磁學和生物地球化學研究的熱點。但是，由于硝化螺旋菌門趨磁細菌尚不能在實驗室純培養，目前對這些趨磁細菌的多樣性、生理生化特性以及系統進化所知甚少。

　　中科院地質與地球物理研究所地球深部結構與過程研究室博士后林巍及其合作導師潘永信研究員等人，通過構建宏基因組文庫、系統進化分析和熒光原位雜交實驗，對北京地區湖泊沉積物中發現的硝化螺旋菌門趨磁細菌進行了系統研究，得到5條來自硝化螺旋菌門趨磁細菌的基因組DNA序列。這些序列包含完整的rRNA操縱子和眾多可能編碼蛋白質的基因。生物信息學分析顯示，這些預測蛋白質具有重要的生理功能，包括催化活性、蛋白維持、信號轉導、趨化性感受器、離子吸收和細菌運動等。這些研究結果有助于深入認識趨磁細菌的生理生化特性。

　　此外，對目前所有已知硝化螺旋菌門趨磁細菌的16S rRNA基因進行系統發育分析發現，這些趨磁細菌分別位于2個進化分枝group 1和group 2中。他們通過比對進化分支中的趨磁細菌序列，設計了針對每個進化分枝的特異性探針，利用這些探針在北京密云水庫中發現了2類新的硝化螺旋菌門趨磁細菌（見附圖）：一類為含有數百個子彈頭狀磁小體的巨型桿狀趨磁細菌（5-10 μm）；另一類為體型較小、磁小體數目較少的球狀趨磁細菌（1-2 μm），后者在國際上尚屬首次發現。

　　目前所有已發現的硝化螺旋菌門趨磁細菌磁小體均為子彈頭形狀，這可能是這類微生物的共同特征，是快速識別沉積物中化石磁小體的重要標志。16S rRNA基因序列對比發現，硝化螺旋菌門趨磁細菌在系統發育樹上屬于最古老的一類趨磁細菌，它們可能出現在地球早期。

　　上述研究成果對深入認識硝化螺旋菌門趨磁細菌的多樣性、群落分布、遺傳信息及進化具有重要意義。研究成果近期發表在美國微生物學會權威期刊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。