地質地球所趨磁細菌生物控制礦化機理研究取得新進展

　　鐵元素是地殼中含量第四的元素，它不僅是生物所必須的微量元素之一，而且還可以影響海洋和陸地系統的地球化學性質，對于維護地球生態系統的穩定具有重要貢獻。近年來，越來越多的研究表明微生物是調控全球鐵元素地球化學循環的重要驅動力之一。其中，在體內礦化合成鐵磁性礦物磁小體的趨磁細菌是一類重要的鐵細菌功能群，它已成為地質微生物學和生物礦化作用研究的模式微生物。然而，由于自然界絕大多數趨磁細菌尚不能在實驗室進行純培養，因此人們對環境中趨磁細菌的磁小體礦化機制及其生態功能，尤其是它們對鐵元素循環的貢獻等還缺乏深入認識。

　　中國科學院地質與地球物理研究所地球深部結構與過程研究室、地球與行星物理院重點實驗室和中-法生物礦化與納米結構聯合實驗室生物的地磁學研究團隊副研究員林巍、研究員潘永信及其合作者等人在趨磁細菌礦化機理方面取得了系列新進展。他們在北京密云水庫發現了一類特殊趨磁大桿菌 (Candidatus Magnetobacterium casensis) ，并對其進行了系統研究。這類細菌細胞長5-10 μm，是目前已知個體最大的趨磁細菌類群，在系統發育上屬于硝化螺旋菌門，其主要特征是在體內合成數百個至上千個子彈頭狀的磁鐵礦磁小體，并呈多束鏈狀排列，對沉積物磁學性質有重要貢獻。他們利用高通量測序技術，獲得該類趨磁大桿菌的基因組草圖，組裝出 3.42 Mb 基因組，揭示了該類趨磁細菌的主要生理代謝特征，如鐵代謝、二氧化碳固定、反硝化途徑及硫代謝等。另外，通過比較基因組學方法, 識別出調控磁小體合成的完整基因片段，不僅發現了其他趨磁細菌所共有的磁小體基因，還首次發現了多個硝化螺旋菌門趨磁細菌所特有的磁小體島基因。這些基因可能在子彈頭狀磁鐵礦磁小體的礦化、排列以及分裂過程中發揮著特殊的作用。上述研究結果對深入理解環境趨磁細菌的生物學特征、生態功能及其磁小體控制礦化的分子機理有著積極的促進作用。

　　此外，在前期研究的基礎上，林巍等人還系統總結了近年來趨磁細菌的多樣性及地理分布格局研究方面的最新進展。他們通過對全球已發表不同地點趨磁細菌數據進行比較分析和深入發掘，提出趨磁細菌的地理分布格局在全球尺度上同時受環境異質性和地史過程驅動模型影響。該研究豐富了微生物生物地理學的基本理論，并對全球趨磁細菌驅動鐵元素循環的貢獻進行了評估，提出趨磁細菌每年可合成至少萬噸級的磁鐵礦，這表明該類微生物在現代鐵元素循環以及地質歷史時期鐵礦的形成中可能發揮了重要作用。

　　上述研究成果分別發表在國際微生物學期刊ISME Journal (Lin et al. Genomic insights into the uncultured genus ‘Candidatus Magnetobacterium’ in the phylum Nitrospirae. ISME Journal, 2014, 8(72) : 2463-2477) 和Environmental Microbiology (Lin et al. Life with compass: diversity and biogeography of magnetotactic bacteria. Environmental Microbiology, 2014, 16(9) : 2646-2658) 上。

圖1：趨磁大桿菌的光鏡、透射電子顯微鏡和熒光原位雜交照片

圖2：趨磁大桿菌的生理代謝與磁小體礦化示意圖

圖3：趨磁細菌參與鐵元素循環的示意圖 (A) 及其全球地理分布驅動機制模型 (B)