海洋趋磁大杆菌的特性和进化起源研究

Magnetotactic bacteria (MTB) consist of gram negative bacteria with diverse morphologies, and they can swim along the geomagnetic field lines. MTB can form nano-sized magnetic particle-magnetosome,which is intracellular organelle of prokaryote and display specificity in morphology,chemical composition and arrangements.The formation of magnetosome is under genetically control of Mangnetosome Island. Although magnetotactic bacteria are ubiquitous in water columns and sediments of freshwater or marine habitats, magnetotactic bacteria of freshwater distinguish from that of marine environment according to geographic distribution analysis . Up to now, large rod magnetotactic bacteria-M. bavaricum were only found in freshwater environment, and belongs to Nitrospira. Recently, we found large-rod shaped marine magnetotactic bacteria with special two-part morphology in the intertidal sediments of Qingdao, however, the taxonomic position and cell biology between them are unknown. We will obtain pure sample of marine large rod magnetotactic bacteria by using micromanipulation, and study their taxonomic position and phylogenetic diversity. Then we will obtain their genome sequence by whole genome amplification, and analyse genes related to morphology and alignment of magnetsomes on Magnetosome Island, and study the evolutionary origin of marine magnetotactic bacteria with large-rod morphology by comparative analysis with all known magnetosome island. And, we will design the culture medium and condition by their distribution feature, phylogenetic position and metabolic pathway in genome, and culture them, and then observe how the two-part structure are formed by methods in cell biology.

趋磁细菌是一类可以沿着磁力线运动的特殊细菌，在基因调控下能合成具种属特异性的纳米磁性颗粒-磁小体，并借助磁小体的定位作用在磁场下进行趋磁趋氧运动。趋磁细菌属于变形菌门、硝化螺菌门和新门类OP3，广泛分布在海洋、淡水环境中，但地域分析显示海洋与淡水趋磁细菌区分明显。趋磁大杆菌目前仅在淡水中发现，属硝化螺菌门，分类地位特殊，我们青岛潮间带发现了具有双节结构的海洋趋磁大杆菌，在形态等方面与淡水的不同。本项目旨在研究两者分类地位和细胞生物学是否有差异。本研究利用显微操作分离获得纯的海洋趋磁大杆菌，研究其分类地位和系统发育多样性；通过全基因组扩增技术获得基因组序列，分析与磁小体形态、排列方式相关的基因，并通过与已知磁小体岛的比较，研究海洋趋磁大杆菌的进化起源。此外，利用其生态分布特征、分类地位以及基因组中存在的代谢途径，设计培养基，实现海洋趋磁大杆菌的培养，并对其分节结构形成进行细胞生物学研究。

趋磁细菌是一类可以沿着磁力线运动的特殊细菌，在基因调控下能合成具种属特异性的纳米磁性颗粒-磁小体，并借助磁小体的定位作用在磁场下进行趋磁趋氧运动。趋磁细菌属于变形菌门、硝化螺菌门和新门类 OP3，广泛分布在海洋、淡水环境中，但地域分析显示海洋与淡水趋磁细菌区分明显。趋磁大杆菌目前仅在淡水中发现，属硝化螺菌门，分类地位特殊。我们在潮间带发现了具有双节结构的海洋趋磁大杆菌。本项目主要以青岛、荣成等地潮间带的3株海洋趋磁大杆菌作为研究对象，利用光镜和电镜技术观察形态和显微结构，发现海洋趋磁大杆菌具有双节的结构特征，含有多束排列或多链状排列的磁小体，磁小体为六面体棱柱状，能谱和高分辨电镜显示磁小体的成分为四氧化三铁。通过PCR-RFLP的方法研究海洋趋磁大杆菌的分类地位和系统发育多样性，发现其属于a-变形菌纲的3个新属。通过显微操作分离单个青岛潮间带的洋趋磁大杆菌，全基因组扩增技术获得其基因组DNA，利用illunima Miasq测序获得基因组序列，分析与磁小体形态、排列方法相关的基因，并通过与其他趋磁细菌，尤其是淡水趋磁大杆菌，磁小体岛的比较，研究海洋趋磁大杆菌的进化起源，海洋趋磁大杆菌不仅在分类地位和细胞生物学等方面与淡水趋磁大杆菌存在明显差异，其磁小体来源也不同。此外，利用海洋趋磁大杆菌的生态分布特征、分类地位以及基因组中存在的代谢途径，设计培养基并控制培养条件，结合实验室趋磁细菌培养的经验，实现海洋趋磁大杆菌的原位培养，并进行观察，未发现海洋趋磁大杆菌存在单节出现的阶段。在培养过程中，意外获得3株趋磁球菌和2株趋磁螺菌的培养株，这5株趋磁细菌均属于a-变形菌纲，与已知可培养趋磁细菌菌株16SrDNA的序列相似性皆在90%以下，且在形态、胞内结构、分类地位等具有明显特征，对这些趋磁细菌的研究可以帮助我们扩宽对趋磁细菌的认识。