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地质地球所趋磁细菌生物控制矿化机理研究取得新进展

2015-01-04 地质与地球物理研究所
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  铁元素是地壳中含量第四的元素,它不仅是生物所必须的微量元素之一,而且还可以影响海洋和陆地系统的地球化学性质,对于维护地球生态系统的稳定具有重要贡献。近年来,越来越多的研究表明微生物是调控全球铁元素地球化学循环的重要驱动力之一。其中,在体内矿化合成铁磁性矿物磁小体的趋磁细菌是一类重要的铁细菌功能群,它已成为地质微生物学和生物矿化作用研究的模式微生物。然而,由于自然界绝大多数趋磁细菌尚不能在实验室进行纯培养,因此人们对环境中趋磁细菌的磁小体矿化机制及其生态功能,尤其是它们对铁元素循环的贡献等还缺乏深入认识。

  中国科学院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室、地球与行星物理院重点实验室和中-法生物矿化与纳米结构联合实验室生物的地磁学研究团队副研究员林巍、研究员潘永信及其合作者等人在趋磁细菌矿化机理方面取得了系列新进展。他们在北京密云水库发现了一类特殊趋磁大杆菌 (Candidatus Magnetobacterium casensis) ,并对其进行了系统研究。这类细菌细胞长5-10 μm,是目前已知个体最大的趋磁细菌类群,在系统发育上属于硝化螺旋菌门,其主要特征是在体内合成数百个至上千个子弹头状的磁铁矿磁小体,并呈多束链状排列,对沉积物磁学性质有重要贡献。他们利用高通量测序技术,获得该类趋磁大杆菌的基因组草图,组装出 3.42 Mb 基因组,揭示了该类趋磁细菌的主要生理代谢特征,如铁代谢、二氧化碳固定、反硝化途径及硫代谢等。另外,通过比较基因组学方法, 识别出调控磁小体合成的完整基因片段,不仅发现了其他趋磁细菌所共有的磁小体基因,还首次发现了多个硝化螺旋菌门趋磁细菌所特有的磁小体岛基因。这些基因可能在子弹头状磁铁矿磁小体的矿化、排列以及分裂过程中发挥着特殊的作用。上述研究结果对深入理解环境趋磁细菌的生物学特征、生态功能及其磁小体控制矿化的分子机理有着积极的促进作用。

  此外,在前期研究的基础上,林巍等人还系统总结了近年来趋磁细菌的多样性及地理分布格局研究方面的最新进展。他们通过对全球已发表不同地点趋磁细菌数据进行比较分析和深入发掘,提出趋磁细菌的地理分布格局在全球尺度上同时受环境异质性和地史过程驱动模型影响。该研究丰富了微生物生物地理学的基本理论,并对全球趋磁细菌驱动铁元素循环的贡献进行了评估,提出趋磁细菌每年可合成至少万吨级的磁铁矿,这表明该类微生物在现代铁元素循环以及地质历史时期铁矿的形成中可能发挥了重要作用。

  上述研究成果分别发表在国际微生物学期刊ISME Journal (Lin et al. Genomic insights into the uncultured genus ‘Candidatus Magnetobacterium’ in the phylum Nitrospirae. ISME Journal, 2014, 8(72) : 2463-2477) Environmental Microbiology (Lin et al. Life with compass: diversity and biogeography of magnetotactic bacteria. Environmental Microbiology, 2014, 16(9) : 2646-2658) 上

 

1:趋磁大杆菌的光镜、透射电子显微镜和荧光原位杂交照片 

 

图2:趋磁大杆菌的生理代谢与磁小体矿化示意图 

 

图3:趋磁细菌参与铁元素循环的示意图 (A) 及其全球地理分布驱动机制模型 (B) 

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