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　　摘要：趋磁细菌是生物地磁学研究的重要模式系统。经过60多年的研究，世界各国科学家已经从淡水、海水、盐碱湖、热泉、沼泽、酸性泥炭地等多种水体环境中发现了多种类型趋磁细菌，极大地丰富了生态分布、生物多样性及其磁小体矿化机理的认知。与假单胞菌门的α-、η-变形菌纲都有几十株趋磁细菌被报道不同，γ-变形菌纲只有7株被报道，这与γ-变形菌纲作为细菌域中物种多样性最丰富的纲并不匹配，也限制了人们对γ-变形菌纲趋磁细菌生物矿化和系统发育多样性的认识。在最近发表于《FEMS microbiology ecology》的文章中，中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员和潘永信院士研究团队应用多学科交叉的研究方法，在北京市淡水湖泊野鸭湖中，鉴定了一株隶属于趋磁细菌稀有分类γ-变形菌纲的菌株YYHR-1，揭示该菌能合成脱轨磁小体及其可能分子机制，并重新划分了γ-变形菌纲趋磁细菌系统分类。　　  

　　趋磁细菌能够在细胞内合成膜包被的磁铁矿(Fe3O4)或胶黄铁矿(Fe3S4)纳米晶体，也称为磁小体。在趋磁细菌体内，磁小体通常被组织成一条或几条链状或链束状结构。通过磁小体链，趋磁细菌可以感知并沿着地磁场定向游泳，这种行为被称为趋磁性。利用趋磁性，趋磁细菌可以在水体的有氧-缺氧过渡带中高效地上下穿梭，通过对氮和硫元素的氧化和还原获取自身生长所需的物质和能量，同时促进水体有氧-无氧过渡带C、N、P、S、Fe、O、Si等元素的生物地球化学循环。趋磁细菌死亡后，遗留的磁小体化石具有稳定的单磁畴性质和门类甚至种类特异性的形貌特征，可以作为古地磁和古环境研究的潜在替代指标。经过半个多世纪的研究，人们从淡水、海水、盐碱湖、热泉、沼泽、酸性泥炭地等水体环境中报道了隶属于脱硫菌门(Desulfobacterota)、硝化螺菌门(Nitrospirota)、迷踪菌门(Elusimicrobiota)和假单胞菌门(Pseudomonadota)的α-、η-和γ-变形菌纲等十余个门类的趋磁细菌。与α-和η-变形菌纲都有数十株趋磁细菌被报道不同，γ-变形菌纲目前只培养或鉴定了7株趋磁细菌，这与γ-变形菌纲作为生物多样性最为繁多的微生物类群不匹配，也限制了对γ-变形菌纲趋磁细菌生物矿化和系统发育多样性的认识。 

　　中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员和潘永信院士研究团队，通过“荧光-电子显微镜联用”技术，在北京市淡水湖野鸭湖沉积物中发现并鉴定了一株隶属于γ-变形菌纲的趋磁杆菌YYHR-1（图1），并综合采用电子显微学、微磁学和对比基因组学对YYHR-1开展了深入研究，获得以下新认识： 

图1 FISH-SEM联用鉴定γ-变形菌纲趋磁细杆菌YYHR-1

　　第一、YYHR-1细胞和磁小体特征。（1）YYHR-1细胞呈弯杆状，平均长度为4.4 ± 0.8 μm，平均宽度为1.1 ± 0.2 μm(n = 64)，每个细胞平均含39 ± 10个磁小体(n = 64)，合成立方八面体形磁小体（图2A-图2G）。（2）在YYHR-1细胞中，大多数磁小体沿细胞长轴排列成一条长链（链内磁小体），还有一些磁小体位于长链的一侧或两侧（脱轨磁小体）。这表明菌株YYHR-1可能形成了一种新的磁小体排列成链的组装模式。（3）链内磁小体和脱轨磁小体的尺寸分布分别为负偏态和正偏态，几乎所有的链内磁小体均为稳定的单磁畴，而约8.33%的脱轨磁小体由于尺寸较小而属于超顺磁性(SP)颗粒（图2H-图2K）。 

图2 菌株YYHR-1的磁小体形态特征

　　第二、趋磁细菌YYHR-1脱轨磁小体生物矿化机制。（1）比较基因组学分析表明，与其他γ-变形菌纲趋磁细菌相比，菌株YYHR-1不仅含有负责磁小体合成和排列成链的mamAB基因簇，还含有一个mamAB-2基因簇（图3A）。（2）系统发育分析表明，菌株YYHR-1的mamAB-2基因簇是mamAB基因簇复制事件的遗留，而不是通过水平基因转移获得的（图3B）。（3）关联的比较基因组学和比较表型组学分析推测，菌株YYHR-1的mamAB-2基因簇可能增加了磁小体生物合成相关基因的剂量或/和在脱轨磁小体的形成中发挥关键作用，即mamAB-2基因簇的存在可能导致YYHR-1产生更多的磁小体，磁小体数量的增加可能会由于磁小体链组装的不稳定性或/和某种未知的分子机制，导致少数磁小体脱离磁小体链。这暗示着磁小体基因簇的复制可能增加了磁小体生物矿化的多样性，甚至加速趋磁细菌物种的形成。（4）微磁模拟表明，脱轨磁小体受主磁小体链的“磁约束”而被沿链方向磁化，因此并不减小细胞总磁矩，然而它们能有效降低磁小体链的吉布斯自由能，因此提高磁小体链结构的稳定性（图4H-图4K）。 

　　在课题组前期研究基础上，提出了菌株YYHR-1磁小体生物矿化的概念模型（图4A-图4G）。（1）磁小体膜形成。蛋白质MamB诱导细胞膜弯曲，蛋白质MamIQL辅助磁小体膜形成。（2）磁小体合成蛋白质的招募。MamE和MamA可能将磁小体相关蛋白募集到磁小体膜上。（3）铁吸收和磁铁矿成核。MamB, MamM, MamH 和MamZ参与铁的摄取。然后，MamO在调节氧化还原条件（如MamP、MamT、MamS和MamZ）的几个蛋白的帮助下促进磁小体磁铁矿成核。（4）磁小体生物矿化。当磁小体膜内氧化还原电位达到最佳时，一些Mam和Mms蛋白（即MamC、MamF、MamP、MamR、MamS、MamT和Mms6）控制了磁小体磁铁矿的尺寸和立方八面体形态。（5）磁小体链组装。mamAB基因簇中相邻排列的多拷贝mamK基因（即mamK-1和mamK-2）可能受同一个操纵子调控，这与其他γ-变形菌纲MTB菌株（如SS-5、SHHR-1和BW-2）类似，导致YYHR-1细胞内形成更长的MamK蛋白纤维和磁小体链；而mamAB-2基因簇可能在脱轨磁小体的生物合成中发挥作用。然而，由于菌株YYHR-1不能进行基因编辑，因此MamK-1和MamK-2在蛋白丝中的分布仍然未知。 

图3 趋磁细菌磁小体基因簇的基因组成和系统发育位置 

图4 菌株YYHR-1的磁小体生物矿化的概念模型(A)-(G)和链结构的微磁学性质(H)-(K) 

　　第三、重新划定γ-变形菌纲趋磁细菌的系统分类。由于γ-变形菌纲的生物多样性十分丰富，且前人对于γ-变形菌纲趋磁细菌的系统发育分析只基于少量参考物种的16S rRNA基因，这导致γ-变形菌纲趋磁细菌的系统发育地位存在争议。该研究结合NCBI数据库中全部γ-变形菌纲参考物种的全基因组和16S rRNA基因(n = 763)，对包括菌株YYHR-1在内的γ-变形菌纲趋磁细菌进行了重新分类（图5）。结果表明：（1）菌株YYHR-1代表了γ-变形菌纲的一个新属，命名为Ca. Magnetoaquabacillus curatus，该菌株与BW-2和S. fontis构成了Thiohalomonadales目。（2）菌株SHHR-1和SS-5代表了γ-变形菌纲Chromatiales目的一个新属，命名为Ca. Magnetohalobacter。（3）先前被认为隶属于Chromatiales目的菌株NS-1和GRS-1应分别隶属于Thiotrichales目和Acidiferrobacterales目。（4）γ-变形菌纲的全基因组系统发育树和16S rRNA系统发育树在拓扑结构上存在显著差异。这些差异可能是由于16S rRNA基因在较高分类级别（如目和科）的分辨率较低，也可能是一些菌株在相同的选择压力强度下，通过遗传趋同进化获得了相似的代谢基因（如S和N的氧化还原关键基因）导致的。 

图5 基于全基因组(A)和16S rRNA基因序列(B)的γ-变形菌纲系统发育树拓扑结构对比

　　研究成果发表于FEMS Microbiology Ecology（张荣荣, 刘沛余, 王宇钦, Andrew P Roberts, 白金伶, 刘延, 朱珂磊, 杜宗军, 陈冠军, 潘永信, 李金华*. Phylogenetics and biomineralization of a novel magnetotactic Gammaproteobacterium from a freshwater lake in Beijing, China[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2023, 99: 1-12. DOI: 10.1093/femsec/fiad150/7424971）。研究得到了国家自然科学基金(42225402、41920104009和41890843)和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队项目（项目号：311022004）的资助。

来源：中国科学院地质与地球物理研究所