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第 33卷 第 1期2013年 1月
第 四 纪 研 究QUATERNARY SCIENCES
Vol.33, No.1January,2013
doi:10.3969/j.issn.10017410.2013.01.10 文章编号 1001-7410(2013)01-88-09
西安未央湖趋磁细菌多样性与磁学研究
陈海涛①②③ 林 巍②③ 王寅癤②③
李金华②③ 陈冠军① 潘永信②③
(①山东大学(威海)海洋学院,威海 264209;②中国科学院地质与地球物理研究所地球深部研究重点实验室,北京 100029;
③中国科学院中-法生物矿化与纳米结构联合实验室,北京 100029)
摘要 对西安郊区未央湖趋磁细菌的生物多样性和磁学性质进行了系统研究。光学和透射电子显微镜分析发
现,未央湖趋磁细菌主要为杆菌,它们的磁小体多为子弹头形状并呈链状排列;磁学分析表明这些磁小体颗粒以
单畴磁铁矿为主;并发现一类同时含有磁铁矿和胶黄铁矿磁小体的趋磁杆菌。基于 16SrRNA基因的系统发育分
析发现,未央湖趋磁细菌主要分布在变形菌门的 δ-变形菌纲(75%)和 α-变形菌纲(25%)。本研究结果还有助于
为利用趋磁细菌群落指示环境变化提供依据。
主题词 趋磁细菌 多样性 δ-变形菌纲 磁学
中图分类号 P593,Q9493,X172 文献标识码 A
第一作者简介:陈海涛 女 24岁 硕士研究生 微生物生理生化研究 Email:chen474200@163.com
中国科学院和国家外国专家局创新团队国际合作伙伴计划项目(批准号:KZCX2-YW-T10)资助
2012-09-27收稿,2012-11-09收修改稿
通讯作者:潘永信 Email:yxpan@mail.iggcas.ac.cn
1 引言
趋磁细菌是一类能沿磁场方向运动的原核生
物,它们能够在细胞内严格控制矿化合成有生物膜
包被、纳米级(35~120nm)、单磁畴磁铁矿(Fe3O4)或胶黄铁矿(Fe3S4)晶体颗粒(磁小体),多呈链状排列。磁小体链可帮助细胞在环境中快速定向并寻
找其最适宜的微环境[1]。趋磁细菌不仅是研究生
物响应地磁场机理和生物矿化的理想模式微生物,
而且趋磁细菌能在体内富集大量的 Fe,S等元素,因此在元素的地球化学循环中也扮演着重要角色。此
外,趋磁细菌种群分布和磁小体合成均受环境因子
的影响,相关的化石磁小体研究对古环境学和寻找
早期生命均具重要意义[2,3]。趋磁细菌在自然界中
普遍存在、形态多样,主要包括球菌、杆菌、螺旋菌、
弧菌和多细胞等[1]。迄今已发现的趋磁细菌在系
统发育上主要属于 α-,δ-和 γ-变形菌纲和硝化螺旋菌门以及一类属于暂定分 类单元 candidatedivisionOP3的卵球形趋磁细菌[4~6]
。δ-变形菌纲趋磁细菌报道较少,且主要在海洋或咸水环境中发
现。例如,Lefèvre等[7]最近从咸水环境中分离得到
能同时合成磁铁矿和胶黄铁矿磁小体的 δ-变形菌
纲趋磁细菌。目前对淡水 δ-变形菌纲趋磁细菌的种群多样性还缺乏深入研究,其磁小体类型和合成
机理尚不清楚。
本研究利用显微学、分子生物学和岩石磁学等
技术,研究了西安市郊区未央湖中趋磁细菌的多样
性和磁学性质。结果表明,未央湖沉积物中含有大
量的 δ-变形菌纲趋磁细菌。这些趋磁细菌主要合成磁铁矿磁小体,此外还发现一类同时能合成磁铁
矿和胶黄铁矿的趋磁细菌。本研究结果有助于认识
湖泊环境中趋磁细菌的多样性以及磁小体化石对沉
积物剩磁的可能贡献。
2 样品和实验方法
21 趋磁细菌收集和分子微生物学分析
本研究采样点未央湖位于陕西省西安市北郊
15km处(34°24′2396″N,108°58′5551″E)。沉积物样品于 2011年 9月采集自未央湖公园北区表层泥水沉积物5~10cm泥水混合物共 4L(用 600ml样品瓶直接采集沉积物样品),分装于 600ml采样瓶内(泥
!
水=2!
1)。样品的水物理化学参数分析采用 DR2800Spectrophotometer(HachCompany,USA)
1期 陈海涛等:西安未央湖趋磁细菌多样性与磁学研究
和 Delta320pH计 (METTLER TOLEDO,Zurich,Switzerland)。趋磁细菌收集方法参考 Wolfe等[8]
和
Li等[9]改良的毛细管收集法,置于铁氧体磁铁(磁
场为150mT)下 6~8小时,共收集 50个毛细管样品。收集的细菌样品分别用于电子显微镜观测、分
子生物学分析和磁学测量。光学显微镜下利用悬滴
法观察细菌的形态并计数[10,11]
。透射电子显微镜
(TEM)观 测 利 用 中 国 科 学 院 微 生 物 研 究 所JEM1400透射电子显微镜(加速电压 80kV)观察趋磁细菌形态和磁小体数目和形状,利用中国科学院
物理研究所 FEITECNAIG2F20透射电子显微镜(加速电压 200kV)和 X-射线能谱仪(EDXS)分析趋磁细菌磁小体的成分。
将磁富集的趋磁细菌用蒸馏水洗涤后煮沸 10分钟作为 PCR的模板。以细菌16SrRNA基因的通用引物进行扩增
[12],PCR扩增体系方法参考 Lin
等[13]的文献。构建趋磁细菌16SrRNA基因克隆文
库,挑取阳性克隆并测序。所得序列通过美国国家
生物技术信息中心(NCBI)的局部比对搜索工具(BLAST)比 对,剔 除 非 趋 磁 细 菌 序 列。通 过FastGroupⅡ[14]
软件根据相似性 98%划分操作分类单元(OTU)。利用软件 CLUSTALW[15]
对序列进行
多重比对并校正。利用 MEGAversionv40[16]软件包中的邻结法(Neighborjoining)构建系统发育树,Bootstrap法检测系统发育树,自展系数为 1000。所得趋磁细菌的16SrRNA基因序列以 δ-变形菌纲为主,选取 SRB385Db[17]作为本次实验的特异性探针,EUB338[18]细菌通用探针作为阳性对照。荧光原位杂交步骤参考 Pernthaler等[19]
文献。杂交后,将玻片
置于37℃ 预热的洗脱缓冲液中暗处洗脱 30分钟。DAPI溶液(1μg/ml)染色 3分钟,蒸馏水洗去染液,暗处 自 然 干 燥,利 用 荧 光 显 微 镜 OlympusBX51观察,并记录杂交结果。本研究获得的16SrRNA基因序列已递交 GenBank/EMBL/DDBJ数据库,GenBank号为 JX537763JX537788。
22 趋磁细菌的磁学性质测量方法
全部磁学实验在中国科学院地质与地球物理研
究所古地磁与年代学实验室完成。趋磁细菌样品的
室温磁学性质测量利用 VSMMicroMag3900型振荡磁力仪,仪器的测量灵敏度为 50×10-10Am2。一阶反转曲线(FORC)数据用软件 FORCinelversion118处理,平滑因子(SF)选择 5来消除噪音影响。低温磁学性质利用 MPMSXP5系统测量,仪器的灵
敏度为 50×10-11Am2。零场冷却(ZFC)曲线的测量,首先在零场下从温度 300K降到 10K,然后施加25T 的 磁 场 使 样 品 获 得 饱 和 等 温 剩 磁
(SIRM25T10K),撤去磁场,测量从 10K升温到 300K的剩磁随温度变化曲线;有场冷却(FC)曲线测量,施加稳定的25T磁场,样品从 300K降温至 10K,撤去外加磁场,在零场下测量从 10K升温到 300K的剩磁随温度变化曲线。分析 Verwey转换温度值(Tv)、剩磁变化(δFC和 δZFC)以及比值 δFC/δZFC[δ=(M80K-M150K)/M80K,M为剩磁强度]。低温温度循环退磁曲线测量,在温度为 300K时施加 25T场使样品获得饱和等温剩磁(SIRM25T300K),撤去磁场,零场下测量降温(300K至 10K)及升温(10K至300K)循环过程的剩磁强度随温度的变化。
3 实验结果
31 趋磁细菌的微生物学结果
311 孔隙水理化性质 未央湖沉积物水样经10000r/分钟离心20分钟取上清液,用 022μm的滤膜过滤除菌获得孔隙水样品
[20]。样 品 的 pH 和 盐 度 分 别 为 743和
041ppt。样品的 SO2-4,NO-3,NO
-2,PO
3-4 和总铁的浓
度分别为 90mg/L,15mg/L,052mg/L,010mg/L和009mg/L。312 趋磁细菌的形态多样性
未央湖沉积物样品中趋磁细菌数量平均值为
104~105个/cm3,具有北向趋磁特征。透射电子显微镜图观测显示以杆菌为主(>90%)(
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图1a~1g),含有少量螺旋菌(
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图1h)及球菌(
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图1i)。杆菌合成的磁小体主要为子弹头形状磁小体,呈单链或多链
状平行细胞长轴排列。
此外,我 们 发 现 了 一 类 特 殊 的 趋 磁 杆 菌
(约2%~5%),它们同时在细胞内合成子弹头和不规则形状磁小体颗粒。X-射线能谱分析表明,子弹头状磁小体颗粒为铁氧化物,可能为磁铁矿,而不规
则形磁小体颗粒为铁硫化物,可能为胶黄铁矿
(
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图2)。这与 Wang等[21]最近在西安护城河发现的
同时产磁铁矿和胶黄铁矿的趋磁杆菌相似。
313 趋磁细菌的系统发育多样性16SrRNA基因克隆文库挑选50个克隆共获得
26条趋磁细菌序列。通过 NCBI的 BLAST的序列同源性比对,这些序列可以分为8个OTU,分别属于α-变形菌纲与 δ-变形菌纲,根据 OTU分类分别占
98
第 四 纪 研 究 2013年
图 1 部分未央湖趋磁细菌的透射电子显微镜照片(a~g)为杆菌 (h)为螺旋菌 (i)为球菌
Fig1 RepresentativetransmissionelectronmicrographsofmagnetotacticbacteriainLakeWeiyang.
(a~g)Rodshapedbacteria;(h)Spirillum;(i)Coccus
图 2 一种同时产铁氧化物和铁硫化物的电子显微镜照片及相应的 X-射线能谱图(a)为杆菌;(b)是(a)图中部分放大的磁小体图;(c),(d)和(e)为(b)图相应部位的 X-射线能谱元素分析图
Fig2 Transmissionelectronmicrographofmagnetotacticbacteriumthatsimultaneouslybiomineralizesironoxidesandironsulfides
andtheircorrespondingenergydispersiveXray.(a)Rodshapedbacterium;(b)Magnetosomesin(a);(c)~(e)Energydispersive
Xraydiagramsofmarkedareasin(b)
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1期 陈海涛等:西安未央湖趋磁细菌多样性与磁学研究
图 3 未央湖趋磁细菌的 16SrRNA基因系统发育树
Fig3 Phylogenetictreeofmagnetotacticbacteria16SrRNAgenesretrievedinLakeWeiyang
25%和75%。将所得序列结合已发表趋磁细菌序列构建趋磁细菌的系统发育树(
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图3),其中有 3条序列 WYH24,WHY37和 WHY50为 α-变形菌纲,属于 2 个 不 同 的 OTU。 OTU1 与 模 式 菌 株
MagnetospirillummagneticumAMB1的相似性仅为91%,可 能为新属新种;而 OTU2与 模 式 菌 株MmagneticumAMB1的相似性为 95%[22]
。其余
23条序列为 δ-变形菌纲,分属于 6个 OTU(OTU3~
OTU8),其中 OTU5与多细胞趋磁细菌 MMP1991的相似性为 89%[23]
;OTU6,OTU7和 OTU8与 Lefèvre等[7]发现的 δ-变形菌纲 SS2和 BW1的相似性介于
91%~95% 之间。而OTU3和OTU4其与现已发现的趋磁细菌的16SrRNA基因的相似性较远,推测可能是趋磁细菌新属新种,需要进一步研究。
314 荧光原位杂交(FISH)对比发现已发表的探针 SRB385Db与未央湖
19
第 四 纪 研 究 2013年
图 4 未央湖趋磁细菌的 FISH结果(a)样品的 DAPI染色结果;(b)样品的细菌通用探针 EUB338杂交结果;(c)特异性探针 SRB385Db的杂交结果;
图(a)~(c)都在同一视野下拍摄
Fig4 ThefluorescenceinsituhybridizationresultsofmagnetotacticbacteriainLakeWeiyang.(a)Afterstainingwith
DAPI;(b)AfterhybridizationwithbacterialuniversalprobeEUB338;(c)AfterhybridizationwithprobeSRB385Db.
Panels(a)to(c)wereshowninthesamemicroscopicfield
δ-变形菌纲趋磁细菌序列全部吻合,而与其他已知细菌16SrRNA基因序列至少有3个碱基的差异,说明该探 针 有 较 高 的 特 异 性。
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图4是 利 用 探 针SRB385Db和细菌通用探针 EUB338对未央湖趋磁细菌进行 FISH分析的结果,SRB385Db探针可以与样品中的趋磁杆菌完全结合,说明未央湖沉积物中
收集的大多数趋磁杆菌为 δ-变形菌纲的硫酸盐还原细菌。
32 趋磁细菌的磁学性质测量结果
FORC图能够有效的判断磁性矿物的矫顽力(Hc)分布及颗粒间的静磁相互作用(Hb)
[24,25]。
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图5a为 FORC图,结果显示未央湖趋磁细菌样品在FORC图上沿 Hb=0形成闭合的等值线,横轴 Hc反映样品的矫顽力分布在 40~100mT之间。说明未央湖的趋磁细菌的磁性矿物主要为单畴特征。
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图5b样品的静磁相互作用值 Hb1/2=492mT,具有较高的矫顽力 Bc=456mT、剩磁矫顽力 Bcr=687mT;Bcr/Bc=151,Mr/Ms=048。
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图5d为归一化的 IRM磁化曲线和退磁曲线,Rdf=046有相交点,指示样品磁性矿物存在弱的相互作用。
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图5e为低温磁学性质的测量结果,趋磁细菌样品的剩磁
在90~110K出现快速下降,指示磁铁矿特征,其Verwey转换温度在98K左右,低于标准化学计量的磁铁矿 Tv值(120~125K),与密云水库发现的趋磁杆菌 MYR1的 Verwey转换温度 (Tv=96K)相
近[26]。δFC和 δZFC分别 为 0094和 0040,比 值
δFC/δZFC为237,高于2。
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图5f显示SIRM25T300K在降温曲线显示温度从 300~150K样品的剩磁增加,然后迅速降低;升温曲线不可逆,在300K时样品的剩
磁相比初始 SIRM300K值下降了2%。在90~110K附近的剩磁快速变化与磁小体磁铁矿的 Verwey转换有关。
4 讨论与结论
未央湖趋磁细菌形状有杆菌、螺菌和球菌,以杆
菌为主。16SrRNA基因序列分析显示这些趋磁细菌的主要属于 δ-变形菌纲,少数属于 α-变形菌纲,所得16SrRNA基因序列分属于 8个不同 OTU。自然界中已发现的趋磁细菌多以 α-变形菌纲为优势种群。目前全球范围内发现的 δ-变形菌纲的趋磁细菌相对较少,主要存在于咸水湖和海洋沉积物
中[4,5]。本研究发现,西安未央湖有大量的 δ-变形
菌纲的趋磁细菌,BLAST序列比较分析显示,其中三类 δ-变形菌纲趋磁细菌与最近在美国咸水湖[7]
发现的未可培养趋磁细菌相似性较高,同时也存在
一类与多细胞趋磁细菌相似性较高的种群[23],且与
最近 Wang等[21]在西安护城河淡水中发现 δ-变形
菌纲相似性达90%以上。这显示 δ-变形菌纲趋磁细菌可能普遍存在淡水环境中。
趋磁细菌的生物矿化受严格的基因控制,且大
多数的趋磁细菌在体内矿化合成磁铁矿[27,28]
。
1993年美国学者[29,30]在罗得岛咸水湖中发现一类
体内同时含有磁铁矿和胶黄铁矿的趋磁杆菌,通过
进一步分析推测两种成分的磁小体的生长方式各不
一样,可能受不同基因调控生物矿化合成。Lins等
[31]在泻湖中也发现一类体内同时含有磁铁矿和
胶黄铁矿的磁小体多细胞趋磁细菌。本研究在未央
湖中发现在体内可以矿化合成子弹头状磁铁矿和不
规则偏圆形胶黄铁矿磁小体颗粒的杆状趋磁细菌,
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1期 陈海涛等:西安未央湖趋磁细菌多样性与磁学研究
图 5 未央湖趋磁细菌样品磁学参数的测量结果图(a)细胞样品的 FORC图,平滑因子 SF=5 (b)矫顽力峰高的半宽值 Hb1/2=492mT (c)温度300K时的磁滞回线图,顺磁校正
(d)为归一化的 IRM磁化曲线及退磁曲线,退磁曲线根据公式[1+IRM(-H)/SIRM]/2进行转化
(e)为数据经过归一化处理的 FC和 ZFC曲线 (f)数据经过归一化的低温温度循环退磁曲线图
Fig5 MagneticpropertiesofmagnetotacticbacterialwholecellscollectedfromLakeWeiyang.(a)FORCdiagram
SF=5;(b)ThehalfwidthfieldHb1/2=492mTatpeakcoercivity;(c)Hysteresisloopin300Kafterparamagnetic
correction;(d)NormalizedIRM acquisitionanddemagnetizationcurves;(e)NormalizedFCandZFCcurves;
(f)NormalizedSIRM300Kcoolingwarmingcyclingcurves
在系统发育上与新近在美国半咸水湖发现的一类产
磁铁矿和胶黄铁矿菌群[7]有很高的相似性,同属于
δ-变形菌纲,这可能暗示未央湖的这类细菌的磁小体的生长矿化也可能受到两种不同的基因调控系统
控制。值得注意的是,本研究结果表明,这类细菌可
能不仅存在于咸水环境中,而且在淡水环境如未央
湖。最近 Wang等[21]在西安护城河沉积物中也发
现较高种群多样性的 δ-变形菌纲趋磁细菌,可合成磁铁矿和胶黄铁矿磁小体。这些淡水环境中产胶黄
铁矿的趋磁细菌的发现,暗示着胶黄铁矿化石可能
存在于淡水环境沉积物中,具有特殊的环境指示
意义。
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第 四 纪 研 究 2013年
趋磁细菌细胞内的磁小体在细菌死后随碎屑沉
淀下来而作为携带天然剩磁的载体。趋磁细菌岩石
磁学性质研究,不仅有助于评估这类细菌产磁小体
对沉积物剩磁的贡献,而且可为有效识别沉积物中
生物成因磁性矿物提供依据[32~34]
。西安未央湖的
趋磁细菌磁学性质显示,室温磁滞回线及 FORC图结果表明其体内磁小体主要为子弹头状单畴磁铁矿
颗粒,具有较高的矫顽力。子弹头形状的磁铁矿可
以认为是趋磁细菌成因磁铁矿的一个特有重要特
征。本研究所得趋磁细菌样品的 Verwey转换温度Tv为98K左右,与已知趋磁细菌磁铁矿磁小体的Verwey转换温度相当,并低于标准化学计量磁铁矿的 Tv值(120~125K)
[26,32,35~40]。根据纯培养趋磁
细菌磁学分析,Moskowitz等[41]提出了利用 δ比值
可以作为鉴别环境中趋磁细菌磁小体的磁学方法。
本文低温磁学结果也支持上述结论,即 Moskowitz检验可以用于检测环境样品中趋磁细菌成因的磁性
矿物。但是,δ比值对链状结构敏感,磁小体链的坍塌等也会影响 δ比值大小,在实际应用中需注意多方法、多参数的有效结合
[25]。
综上,西安未央湖区域趋磁细菌主要为 δ-变形菌纲,以合成子弹头状磁小体的杆菌为主,并发现一
类新的含有磁铁矿和胶黄铁矿磁小体颗粒趋磁细
菌。磁学性质测量结果表明,西安未央湖样品的趋
磁细菌主要为单畴磁铁矿,具有较高的矫顽力和较
低的 Verwey转化温度。目前,趋磁细菌研究主要集中在少数可培养菌株,对于自然界中未可培养趋磁
细菌的多样性和矿化机制研究还不甚清楚。新发现
的 δ-变形菌纲的菌株是如何控制一个细胞内同时产两种矿物,它们的磁小体合成过程与细胞生存的
微环境是否存在关系等问题值得深入研究。
致谢 感谢中国科学院地质与地球物理研究所贺小庆博士在 X-射线能谱分析中给予的帮助,感谢审稿专家和编辑部老师对论文提出的宝贵意见。
参考文献(References)
1 BazylinskiDA, Frankel R B. Magnetosome formation in
prokaryotes.NatureReviewsMicrobiology,2004,2(3):217~230
2 PanY,PetersenN,DavilaAFetal.Thedetectionofbacterial
magnetite in recentsediments ofLake Chiemsee(Southern
Germany).EarthandPlanetaryScienceLetters,2005,232(1~2):
109~123
3 潘永信,邓成龙,刘青松等.趋磁细菌磁小体的生物矿化作用和
磁学性质研究进展.科学通报,2004,49(24):2505~2510
PanYongxin,DengChenglong,LiuQingsongetal.Biomineralization
andmagnetismofbacterialmagnetosomes.ChineseScienceBulletin,
2004,49(24):2563~2568
4 AmannR, Peplies J,SchülerD.Diversity and taxonomy of
magnetotacticbacteria.In:SchülerD ed.Magnetoreceptionand
Magnetosomes in Bacteria. Berlin: SpringerVerlag Berlin
Heidelberg,200725~36
5 KolinkoS,JoglerC,KatzmannEetal.Singlecellanalysisrevealsa
noveluncultivatedmagnetotacticbacterium withinthecandidate
divisionOP3.EnvironmentalMicrobiology,2012,14(7):1709~
1721
6 林 巍,潘永信.趋磁细菌多样性及其环境意义.第四纪研究,
2012,32(4):567~575
LinWei,PanYongxin.Diversityofmagnetotacticbacteriaandits
implicationsforenvironments.QuaternarySciences,2012,32(4):
567~575
7 LefèvreCT,MenguyN,Abreu F etal.A cultured greigite
producingmagnetotacticbacterium inanovelgroupofsulfate
reducingbacteria.Science,2011,334:1720~1723
8 WolfeRS,ThauerRK,PfennigN.Acapillaryracetrackmethodfor
isolationofmagnetotacticbacteria.FEMSMicrobiologyEcology,
1987,45(1):31~35
9 LiJ, Ge X,Zhang X et al.Recover vigorous cells of
Magnetospirillum magneticum AMB1 by capillary magnetic
separation.ChineseJournalofOceanologyandLimnology,2010,28
(4):826~831
10 GreenbergM, Canter K,Mahler I et al. Observation of
magnetoreceptive behavior in a multicellular magnetotactic
prokaryoteinhigherthangeomagneticfields.BiophysicalJournal,
2005,88(2):1496~1499
11 LinW,PanY.Uncultivatedmagnetotacticcoccifrom Yuandadu
parkinBeijing,China.AppliedandEnvironmentMicrobiology,2009,
75(12):4046~4052
12 WeisburgW G,BarnsSM,PelletierDAetal.16SribosomalDNA
amplificationforphylogeneticstudy.JournalofBacteriology,1991,
173(2):697~703
13 LinW,TianL,LiJetal.Doescapillaryracetrackbasedenrichment
reflectthe diversity of uncultivated magnetotactic cocci in
environmentalsamples?FEMSMicrobiologyLetters,2008,279(2):
202~206
14 YuY,BreitbartM,McNairniePetal.FastGroupⅡ:Awebbased
bioinformaticsplatform foranalysesoflarge16SrDNA libraries.
BMCBioinformatics,2006,7(1):57
15 ThompsonJD,HigginsDG,GibsonTJ.CLUSTALW:Improving
thesensitivityofprogressivemultiplesequencealignmentthrough
sequenceweighting,positionspecificgappenaltiesandweightmatrix
choice.NucleicAcidsResearch,1994,22(22):4673~4680
16 TamuraK,DudleyJ,NeiMetal.MEGA4:Molecularevolutionary
geneticsanalysis(MEGA)softwareversion40.MolecularBiology
andEvolution,2007,24(8):1596~1599
17 RabusR,FukuiM,WilesH etal.Degradativecapacitiesand
16SrRNAtargeted wholecellhybridization of sulfatereducing
49
1期 陈海涛等:西安未央湖趋磁细菌多样性与磁学研究
bacteriainananaerobicenrichmentcultureutilizingalkylbenzenes
from crudeoil.AppliedandEnvironmentalMicrobiology,1996,62
(10):3605~3613
18 AmannRI,KrumholzL,StahlD A.Fluorescentoligonucleotide
probing of whole cells for determinative,phylogenetic,and
environmentalstudiesin microbiology.JournalofBacteriology,
1990,172(2):762~770
19 PernthalerJ,GlcknerFO,SchnhuberW etal.Fluorescencein
situhybridization(FISH)withrRNAtargetedoligonucleotideprobes.
MethodsinMicrobiology,2001,30:207~226
20 LinW,Pan Y.Temporalvariation ofmagnetotactic bacterial
communities in two freshwater sediment microcosms.FEMS
MicrobiologyLetters,2010,302(1):85~92
21 WangY,Lin W,LiJetal.Unexpected high diversity of
Deltaproteobaceriamagnetotacticbacteriainafreshwaterniche.
AppliedandEnvironmentalMicrobiology,2013,submitted
22 KawaguchiR,BurgessJG,MatsunagaT.Phylogenyand16SrRNA
sequenceofMagnetospirillum sp.AMB1,an aerobicmagnetic
bacterium.NucleicAcidsResearch,1992,20(5):1140
23 DelongEF,FrankelRB,BazylinskiD A.Multipleevolutionary
originsofmagnetotaxisinbacteria.Science,1993,259:803~806
24 秦华峰,刘青松,潘永信.一阶反转曲线(FORC)图的原理及应
用实例.地球物理学报,2008,51(3):743~751
QinHuafeng,LiuQingsong,PanYonngxin.Thefirstorderreversal
curve(FORC)diagram:Theoryandcasestudy.ChineseJournalof
Geophysics,2008,51(3):743~751
25 李金华,潘 永 信,刘 青 松 等.趋 磁 细 菌 Magnetospirillum
magneticumAMB1全细胞和纯化磁小体的磁学比较研究.科学
通报,2009,54(21):3345~3351
LiJinhua,PanYonngxin,LiuQingsongetal.Acomparativestudyof
magneticpropertiesbetweenwholecellsandisolatedmagnetosomes
ofMagnetospirillum magneticum AMB1.ChineseScienceBulletin,
2010,55(1):38~44
26 LiJ,PanY,LiuQ etal.Biomineralization,crystallographyand
magneticpropertiesofbulletshapedmagnetitemagnetosomesin
giantrodmagnetotacticbacteria.EarthandPlanetaryScienceLetters,
2010,293(3~4):368~376
27 SchülerD.Molecularanalysisofasubcellularcompartment:The
magnetosome membrane in Magnetospirillum gryphiswaldense.
ArchivesofMicrobiology,2004,181(1):1~7
28 FrankelRB,BazylinskiD A,SchülerD.Biomineralization of
magneticironmineralsinbacteria.SupramolecularScience,1998,5
(3~4):383~390
29 BazylinskiDA,HeywoodBR,MannSetal.Fe3O4andFe3S4ina
bacterium.Nature,1993,366:218
30 BazylinskiDA,FrankelR B,HeywoodB R etal.Controlled
biomineralizationofmagnetite(Fe3O4)andgreigite(Fe3S4)ina
magnetotacticbacterium.AppliedandEnvironmentalMicrobiology,
1995,61(9):3232~3239
31 LinsU,KeimCN,EvansFFetal.Magnetite(Fe3O4)andgreigite
(Fe3S4)crystals in multicellular magnetotactic prokaryotes.
GeomicrobiologyJournal,2007,24(1):43~50
32 PanY,PetersenN,WinklhoferMetal.Rockmagneticpropertiesof
unculturedmagnetotacticbacteria.Earth and PlanetaryScience
Letters,2005,237(3~4):311~325
33 DunlopDJ,?zdemir?.Rock Magnetism: Fundamentals and
Frontiers.London:CambridgeUniversityPress,1997573
34 刘 植,刘秀铭,李平原等.德国 Chiemsee湖磁性细菌干湖泥的
磁学性质.第四纪研究,2012,32(4):820~824
LiuZhi,LiuXiuming,LiPingyuanetal.Themagneticpropertiesof
thebacterialsedimentsinLakeChiemsee,Germany.Quaternary
Sciences,2012,32(4):820~824
35 MoskowitzBM.Micromagneticstudyoftheinfluenceofcrystal
defectsoncoercivityinmagnetite.JournalofGeophysicalResearch
solidEarth,1993,98(B10):18011~18026
36 DingY,LiJ,LiuJetal.DeletionoftheftsZlikegeneresultsinthe
production of superparamagnetic magnetite magnetosomes in
Magnetospirillumgryphiswaldense.JournalofBacteriology,2010,192
(4):1097~1105
37 LiJ,PanY,ChenGetal.Magnetitemagnetosomeandfragmental
chain formation of Magnetospirillum magneticum AMB1:
Transmission electron microscopy and magnetic observations.
GeophysicalJournalInternational,2009,177(1):33~42
38 PósfaiM,DuninBorkowskiRE.Sulfidesinbiosystems.Reviewsin
MineralogyandGeochemistry,2006,61(1):679~714
39 ZhuK,PanH,LiJetal.Isolationandcharacterizationofamarine
magnetotacticspirillumaxeniccultureQH2fromanintertidalzone
oftheChinaSea.ResearchinMicrobiology,2010,161(4):276~
283
40 MoskowitzBM,BazylinskiDA,EgliRetal.Magneticpropertiesof
marinemagnetotacticbacteriainaseasonallystratifiedcoastalpond
(SaltPond,MA,USA).GeophysicalJournalInternational,2008,174
(1):75~92
41 MoskowitzBM,FrankelR B,BazylinskiD A.Rockmagnetic
criteriaforthedetectionofbiogenicmagnetite.EarthandPlanetary
ScienceLetters,1993,120(3~4):283~300
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第 四 纪 研 究 2013年
DIVERSITYANDMAGNETISM OFMAGNETOTACTICBACTERIAINLAKEWEIYANGNEARXI′ANCITY
ChenHaitao①②③ LinWei②③ WangYinzhao②③ LiJinhua②③ ChenGuanjun① PanYongxin②③
(①CollegeofMarineScience,ShandongUniversityatWeihai,Weihai264209;②BiogeomagnetismGroup,Paleomagnetism
andGeochronologyLaboratory,KeyLaboratoryoftheEarthsDeepInterior,InstituteofGeologyandGeophysics,
ChineseAcademyofSciences,Beijing100029;③FranceChinaBioMineralizationandNanoStructuresLaboratory,
InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029)
Abstract
Magnetotacticbacteriaareagroupofmorphologicallyandphylogeneticallyheterogenousprokaryoteswhichsynthesizeintracellularnanosizedmagneticcrystalsofmagnetite(Fe3O4)and/orgreigite(Fe3S4).Magnetotacticbacteriaareubiquitousinfreshwaterandmarineenvironments.MostobservedmagnetotacticbacteriaareaffiliatedwiththeAlphaproteobacteria,whilebacteriaintheDeltaproteobacteria,Gammaproteobacteria,phylumNitrospira,andthecandidatedivisionOP3arealsodiscovered.Inthisstudy,thediversityandmagneticpropertiesofmagnetotacticbacteriacollectedfromLakeWeiyanginXi′ancity(34°24′23.96″N,108°58′55.51″E),ShaanxiProvince,wereanalyzedandcharacterized.Surfacesediments(5cm to10cm)werecollected,andmagnetotacticbacteriaweremagneticallyenrichedusingthecapillaryracetrackmethod.TransmissionelectronmicroscopyanalyseshaverevealedthatrodshapedbacteriacontainingbulletshapedmagnetsomeswerethedominantgroupofmagnetotacticbacteriainLakeWeiyang.Otherkindsofmagnetotacticbacteria,suchascocciandspirilla,werealsoobserved.Interestingly,theenergydispersivexrayspectrometeroftransmissionelectronmicroscopyshowedsomerodshapedbacteriawereabletosimultaneouslybiomineralizemagnetiteandgreigitemagnetosomesinasinglecell,whichisunusualinmagnetotacticbacteria.TheroomtemperaturehysteresisloopdemonstratedthesampleofcellshadapotbelliedshapewithhysteresisparametersBc,Bcr,Bcr/Bc,Mrs/Msof456mT,687mT,151and048,respectively.Firstorderreversalcurveofthewholecellsamplealsoexhibitedtypicalpatternofsingledomainmagnetite,withrelativelyweakmagneticinteractions.ThelowtemperaturefieldcooledandzerofieldcooledcurvesshowedthattheVerweytransitionofthemoccurredatca.98K.Theseresultsofmagneticpropertymeasurementsindicatedthatthesemagnetotacticbacteriamineralizesingledomainmagnetitemagnetosomes.Furthermore,accordingtothe16SrRNAgeneanalysis,these magnetotactic bacteria mainly composed ofthe Deltaproteobacteria(75%),and theAlphaproteobacteria(25%),belongingtotheeightpopulations(OUT1~OTU8).FluorescenceinsituhybridizationfurtherconfirmedthatthesequencesobtainedfromtherodshapedbacteriaaretrulyfromtheDeltaproteobacteria.OurresultsindicatethatthecommunityoftheDeltaproteobacteriaMTBinfreshwaterenvironmentismorediversethanpreviouslythought,whichprovidesnewinsightsintotheoveralldiversityofmagnetotacticbacteriainnature.
Keywords magnetotacticbacteria,biologicaldiversity,theDeltaproteobacteria,magnetism
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