当前位置：刘沛余等-EM：趋磁细菌生物与矿物多样性鉴定及其相关性研究
摘要：微生物是地球上出现最早、种类和数目最多、功能最全的一种生命形式。通过矿化作用，微生物直接参与地球上至少六十余种矿物的形成和转化。研究自然界中能够矿化的微生物及微生物形成的矿物对认识现今和地质历史时期的微生物参与及微化石记录的地球与生命演化过程具有重要指示意义。然而，自然环境中的微生物一般多杂居混生，且超过99.99%的微生物还不能在实验室实现纯培养。如何开展环境中未培养微生物的种类鉴定和深入研究，是当前地质微生物学领域研究的热点和难点。近日，中国科学院地质与地球物理研究所地磁场与生物圈演化学科组研究团队联合国内外多个单位科研人员，利用“荧光-电子显微镜联用”新技术（FISH-SEM和FISH-TEM），对自然环境中一类“既能利用地磁场定向游泳，又能在细胞内矿化合成纳米级磁铁矿（Fe3O4）磁小体”的原核微生物——趋磁细菌，进行了迄今为止最大规模的生物和矿物多样性鉴定，从单细胞水平上鉴定了20种新型的趋磁球菌。系统发育分析表明，这些趋磁球菌属于变形菌门（Proteobacteria）一个新的纲—η-变形菌纲；透射电镜分析表明，这些趋磁球菌合成的磁小体形貌和结构多样，但具有菌种获菌株特异性。研究表明，磁小体的生物矿化过程受到趋磁细菌基因水平上的严格调控，磁小体的形貌和结构特征与趋磁细菌的种类存在一定程度的对应关系，因此沉积物或岩石中磁小体有望成为古趋磁细菌研究的化石材料。
1974-1975年，美国微生物学者理查德·布莱克莫(Richard P. Blakemore)在研究海洋淤泥中螺旋菌时，意外发现一类球形细菌，能识别地磁场或外加磁场，顺着磁力线方向游泳而聚集在水滴边缘，这些球菌还能在细胞内合成链状排列的纳米四氧化铁（Fe3O4）颗粒。在随后发表的Science文章中，他将这类细菌命名为趋磁细菌（magnetotactic bacteria），将这些细胞内纳米磁性颗粒命名为磁小体（magnetosome），将趋磁细菌这种沿磁力线游泳行为称为趋磁性（magnetotaxis）。布莱克莫的这一发现，重新唤起了人们对意大利学者Bellini在1950-1960年代从淡水环境发现的一类磁敏感细菌的重视，同时也迅速吸引了微生物学、物理学和地球科学等多领域科学家极大的兴趣，从此拉开了趋磁细菌研究的序幕。
40多年来，来自英、德、日、巴西和中国等来自生命、地球、海洋、物理和材料科学等不同领域的科学家陆续加入到趋磁细菌的研究行列，重点在趋磁细菌的生态分布和种类多样性、磁小体生物矿化过程及其分子机制、磁小体化石识别及古地磁学应用、以及磁小体生物仿生和纳米医学应用等方面开展了大量研究。这些研究表明，磁细菌具有全球分布，其细胞种类（系统发育）和磁小体晶型均具有丰富的多样性，表明其生物矿化机制也可能多样。针对未培养趋磁细菌，前人多采用不依赖纯培养的分子生态学（16S rDNA序列测定）研究其系统发育，采用透射电镜技术研究磁小体的形貌、尺寸、结构、成分和细胞内的组装结构等性质，从而认识趋磁细菌的生物矿化过程和机理。然而，磁小体晶形观测难以与系统发育直接建立联系，除了少数几种趋磁细菌外，大量的未培养趋磁细菌的种类与磁小体晶型在细胞水平上的一一对应关系并未建立，制约了全面认识趋磁细菌的生物矿化机制。
特别指出的是，尽管趋磁球菌是最早被发现的趋磁细菌，也是自然环境中分布范围最广、数目最多的趋磁细菌，但对这类细菌的认识相对是最不清楚的。主要表现在：（1）由于其培养条件十分苛刻，目前纯培养的趋磁球菌只有三株，分别是Magnetococcus marinus strain MC-1, strain MO-1和 Magnetofaba australis strain IT-1，均为海洋单链趋磁球菌。（2）尽管前人的研究中获得了大量的趋磁球菌16S rDNA序列，但是由于不同种类的趋磁球菌形貌极其相似，用传统的荧光原位杂交技术难以将它们的系统发育信息和细胞、磁小体形貌结构等特征对应起来，从而限制了对这类细菌生物矿化机制的深入认识。（3）由于纯培养和成功鉴定的趋磁球菌种类相对较少，对这类细菌的系统发育分类存在争议。
自2015年起，中科院地质地球物理所李金华研究员与潘永信院士团队，联合中科院物理所、山东大学、法国巴黎第六大学、澳大利亚国立大学等国内外多个单位的科研人员针对环境中未培养的趋磁细菌，开展生物地磁学和地球生物学多学科交叉研究。他们首先建立了一种“荧光-电子显微镜联用”新技术（FISH-SEM和FISH-TEM），将趋磁细菌种类鉴定的荧光显微镜观测信号与磁小体结构观测的电子显微镜观测信号结合起来，首次在单细胞水平实现了未培养趋磁细菌的种类鉴定和生物矿化研究（图1）。在此基础上，该研究团队对来自北京密云水库、西安未央湖、天津于桥水库、秦皇岛石河入海口以及大连夏家河等淡水、海水以及半咸水环境的沉积物中的趋磁球菌进行首次大规模的生物和矿物多样性鉴定，在单细胞水平上鉴定了20种新型的趋磁球菌（图2）。其中，有12株是前人从未报道过的新序列（16S rDNA与所有前人报道过的序列相似度均低于97%），另外8株与前人报道过的序列有较高（≥97%）相似度，但磁小体的形貌和结构未被鉴定（Zhang et al., 2017；Liu et al., 2020）。
图1 荧光-电子显微联用技术鉴定环境样品中未培养趋磁球菌。（A-D）BHC-1（来自北京北海）。（E-H）LLTC-1（来自秦皇岛老龙头海域）。（I-L）DMHC-2（来自山东济南大明湖）。（M-P）MYC-3（来自北京密云水库）。该技术基于趋磁细菌的16S rRNA基因序列，设计特异性的寡核甘酸探针，通过改进传统的荧光原位杂交（FISH）技术的制样和观察环节，实现了荧光显微镜下对经寡核苷酸探针特异性杂交的趋磁细菌进行单细胞水平的观察和识别，然后通过扫描电镜和透射电镜对同一微区或同一个细胞进行纳米尺度的形貌和结构分析，从而实现对同一个趋磁细菌细胞在单细胞水平上的种类鉴定（系统发育）和在纳米尺度上的生物矿化研究（细胞和矿物形貌结构等）（Li et al., 2017）
图2 20种趋磁球菌的生物（系统发育）和磁小体形貌多样性。（A）基于16S rDNA序列的趋磁球菌系统发育进化树。（B-U）20株趋磁球菌的透射电子显微镜照片。图A每个细菌后的编号与透射电镜中显示的细菌是一一对应的
电子显微学分析结果表明，趋磁球菌均为直径在~1.0微米到~2.5微米之间的球型或卵球型细胞。此外，趋磁球菌的磁小体链结构分为四类，分别为单链、双链、四链和非直链排列。磁小体的形貌有八面体、立方八面体和拉长的棱柱形。大多数趋磁球菌能合成10个左右的磁小体，但部分菌株，如DMHC-6和WYHC-2，几十个到上百个左右的磁小体。磁小体的平均长度在60 nm到114 nm之间，平均宽度在36 nm到86 nm之间（图4-图7）。
图4 6种趋磁细菌合成单链磁小体。（A-F）磁小体链的透射电镜照片。（G-I）磁小体长、宽和宽/长比的平均值
为了进一步研究趋磁球菌种类和磁小体形貌之间的关系，该研究团队基于磁小体链结构、数目、宽度和宽长比数据，进行了非度量多维尺度分析(nonmetric multidimensional scaling, nMDS)。结果显示，代表同种趋磁球菌的磁小体形态学数据的点聚在一起，代表不同种趋磁细菌磁小体数据的点彼此远离。这说明趋磁球菌的生物学种类和磁小体形貌结构特征是一一对应的，即矿化产生的磁小体具有一定程度的菌种或菌株特异性（图8）。
图8 趋磁球菌种类与磁小体形貌结构之间相关性的nMDS分析结果。趋磁球菌可以按照磁小体链结构聚类并分开，且每种趋磁球菌也可聚类并相互之间分开
本研究完善并发展了研究团队前期建立的“荧光-电子显微镜联用”新技术，并将该方法应用到“自然界分布最广、数量最多，但相对最难识别、认识程度最低”的一类趋磁球菌的种类鉴定和生物矿化研究中，首次在单细胞水平上大规模鉴定了20种新型趋磁球菌。结合前人总共鉴定的9种趋磁球菌数据，系统发育分析证实趋磁球菌应该从α-变形菌纲中剥离出来，成为一个新纲——η-变形菌纲。透射电镜分析表明，趋磁球菌磁小体具有丰富的链组装模式、形貌和结构多样性，尤其是6种非直链磁小体结构的趋磁球菌的鉴定和发现，表明磁小体的直链排列并不是趋磁细菌组装磁小体的必要模式，因此这类非直链组装磁小体的生物矿化和磁学性质值得进一步深入研究。趋磁细菌生物种类与其磁小体形貌结构特征的综合分析表明，磁小体生物矿化过程和机制在一定程度上具有菌种或菌株特异性，这为未来通过沉积物或岩石中磁小体来追溯古趋磁细菌的生物学信息提供了理论依据。
研究成果发表于Environmental Microbiology。（Liu P, Liu Y, Zhao X, et al. Diverse phylogeny and morphology of magnetite biomineralized by magnetotactic cocci[J]. Environmental Microbiology, 2020.DOI：10.1111/1462-2920.15254.）（原文链接）本研究受中国国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项(41920104009)、国家自然科学基金重大项目课题（41890843）和国家自然科学基金创新研究群体项目（41621004）资助。
在成功鉴定了这20株未培养趋磁细球菌的基础上，该研究团队综合微生物分子生态学和透射电子显微学，对这些趋磁细菌进行了深入研究。系统发育分析结果显示，所有的趋磁球菌的16S rDNA序列都聚类在变形菌门一个独立的分支上。这支持了前人认为趋磁球菌应独立为变形菌门当中一个新的纲——η-变形菌纲的观点（图3）。