海洋生态与环境科学重点实验室知识库

趋磁细菌（Magnetotactic bacteria，MTB）是一类具有沿着地磁场磁力线方向定向和游动能力的革兰氏阴性原核生物。它们可以通过严格的基因控制，生物矿化合成具有膜结构的纳米级磁铁矿（Fe₃O₄，铁氧型）或/和胶黄铁矿（Fe₃S₄，铁硫型）颗粒（磁小体）作为导航“罗盘”。趋磁细菌被认为是最早能够进行生物矿化和感应地磁场的古老微生物，生物起源的矿化产物单磁畴磁小体是趋磁细菌的标志物，也使趋磁细菌能够比非趋磁细菌富集100倍以上的铁元素，在铁的生物地球化学循环中有着重要作用。在趋磁细菌驱动的铁循环中，可能涉及两条途径：一是趋磁细菌死亡裂解后释放出磁小体，埋藏在沉积物中成为化石磁小体（Magnetofossils），部分被溶解回到环境中，部分通过弱成岩作用在沉积物中形成铁矿物；二是趋磁细菌被捕食者（原生生物）捕食后，磁小体被消化溶解，形成生物可利用的铁，可被浮游生物利用，从而进入经典食物链。本文依据趋磁细菌参与铁循环中的两条途径，一方面根据趋磁细菌已知的代谢特点和深海极端环境特征，结合16S rRNA基因测序分析和化石磁小体特点，宏基因组测序数据作为补充，分析趋磁细菌和化石磁小体的多样性和特征，探究其在热液和冷泉两类极端环境中存在的生态学功能；另一方面通过对自然环境中能够摄食趋磁细菌的原生生物研究，对细胞内磁小体来源进行分析，进一步设计实验验证原生生物与趋磁细菌之间的互作关系，从而明确趋磁细菌在驱动铁元素循环中的重要作用。

通过16S rRNA基因测序分析，在唐印热液区共得到709条趋磁细菌相关序列，按照97%的序列相似性阈值，共聚类到20个OTUs，隶属于脱硫菌门、α-变形菌纲和硝化螺菌门，趋磁细菌相关序列中最多的是多细胞趋磁原核生物。透射电镜观察到三种形状的磁铁矿化石磁小体，比例从高到低分别为棱柱形、子弹头形和立方八面体形，其中子弹头形比一般环境中的比例高。宏基因组测序分析共发现121条序列与已知趋磁细菌磁小体功能基因同源，其蛋白序列也具有相同的预测结构域。在热液区趋磁细菌中，多细胞趋磁原核生物很可能为优势类群。

在Formosa冷泉区通过两次测序共得到897条趋磁细菌相关序列，两次测序获得的序列分别分属于163（345条序列）和21（552条序列）个OTUs，隶属于α-变形菌纲、脱硫菌门、硝化螺菌门和η-变形菌纲，大多数序列属于α-变形菌纲趋磁细菌。冷泉区沉积物中发现四种形状的磁铁矿化石磁小体，比例从高至低分别为棱柱形、子弹头形、立方八面体形和八面体形。化石磁小体观察统计结果与16S rRNA基因测序结果都显示，α-变形菌纲趋磁细菌可能是冷泉区趋磁细菌中优势类群。系统发育进化树显示热液与冷泉的多细胞趋磁原核生物、硝化螺菌门趋磁细菌与已知趋磁细菌相比具有十分独特的进化地位，同时两个地区的趋磁细菌进化位置更近。热液与冷泉区优势趋磁细菌的种类不同，显示了不同种类对环境的适应，并且趋磁细菌很有可能是了解地球生命早期演化的潜在模式微生物。

通过磁收集及光学显微镜观察，在青岛汇泉湾潮间带沉积物中发现了多种形态的感磁原生生物，并重点研究了一种感磁纤毛虫。基于18S rRNA 基因序列，初步鉴定该纤毛虫为Uronemella parafilificum HQ。在透射电子显微镜下，观察到有2-3种形状的磁小体随机分布在细胞内。X-射线能谱和高分辨率透射电子显微镜图像表明，这些磁小体是由磁铁矿组成的，并且在相同环境下收集到的趋磁细菌中也观察到与感磁纤毛虫相同形状和成分的磁小体。数据分析结果表明，感磁纤毛虫与趋磁细菌细胞内的磁小体大小和尺寸分布相似，也说明U. parafilificum HQ可以摄食和消化各种趋磁细菌。这是在潮间带沉积物中首次报道感磁纤毛虫，扩大了对其生境的认识，暗示了它们分布的广泛性。

通过在实验室条件下将趋磁细菌作为饵料加入到鞭毛原生生物（剧毒卡尔藻）的培养液中，利用光学、荧光显微镜观察发现与细菌共培养两个小时的藻细胞可以观察到细胞内有红色食物泡，并且在紫外光的激发下发出趋磁细菌特有的蓝色荧光。透射电子显微镜下可以观察到藻细胞内有趋磁细菌的标志物——磁小体颗粒，这说明剧毒卡尔藻捕食了趋磁细菌。并且通过对剧毒卡尔藻生长的记录，发现摄食趋磁细菌可以延长剧毒卡尔藻异养生长活跃的时期，延缓衰退期的到来。进一步实验表明，捕食趋磁细菌可以提升剧毒卡尔藻细胞内外的铁离子浓度，这与其生长率变化显著相关。该研究首次报道了趋磁细菌可以被鞭毛类原生生物捕食，通过提高原生生物细胞内外铁浓度以促进其生长。

本论文通过对深海热液和冷泉区的趋磁细菌及化石磁小体多样性和特征的研究，发现极端生境中趋磁细菌的种类可能与其环境相适应，这为地球早期生物起源进化提供了新线索。海洋趋磁细菌与（纤毛/鞭毛）原生生物的互作关系研究结果开拓了对趋磁细菌生态功能的认识，也为趋磁细菌有助于铁的生物地球化学循环的推论提供了证据，并为真核生物感磁机制的研究提供了新的思路。

第1章 绪论    1
1.1 趋磁细菌    1
1.1.1 趋磁细菌简介    1
1.1.2 趋磁细菌的系统发育多样性    4
1.1.3 趋磁细菌磁小体    11
1.1.4 趋磁细菌的生态分布    16
1.1.5 趋磁细菌在铁循环中的作用    18
1.2 感磁原生生物    21
1.2.1 感磁原生生物简介    21
1.2.2 感磁原生生物多样性    22
1.2.3 感磁原生生物磁小体来源    24
1.2.4 感磁原生生物的生态分布    25
1.3 趋磁细菌及化石磁小体的研究意义    28
1.4 本研究的内容和意义    29
第2章 深海热液、冷泉趋磁细菌多样性及化石磁小体特点    31
2.1 引言    31
2.2 材料与方法    32
2.2.1 沉积物采集    32
2.2.2 沉积物中趋磁细菌16S rRNA基因测序与分析    33
2.2.3 透射电子显微镜观察化石磁小体    34
2.2.4 沉积物的岩石磁学测量与分析    34
2.2.5 沉积物的宏基因组测序及磁小体基因分析    34
2.3 实验结果    35
2.3.1 热液区趋磁细菌多样性及化石磁小体特点    35
2.3.2 冷泉区趋磁细菌多样性及化石磁小体特点    43
2.4 讨论    52
2.5 小结    58
第3章 趋磁细菌与纤毛虫的互作关系    59
3.1 引言    59
3.2 材料与方法    59
3.2.1 汇泉湾潮间带沉积物样品采集    59
3.2.2 趋磁细菌与感磁原生生物的磁收富集与纯化    60
3.2.3 光学显微镜观察趋磁细菌与感磁原生生物形态    62
3.2.4 透射电子显微镜观察趋磁细菌与感磁纤毛虫超微结构与磁小体    62
3.2.5 感磁纤毛虫的系统发育分析    63
3.3 实验结果    65
3.3.1 光学显微镜下观察感磁微生物    65
3.3.2 感磁纤毛虫的系统发育分析    66
3.3.3 趋磁细菌与纤毛虫细胞内磁小体的特征    67
3.4 讨论    70
3.5 小结    73
第4章 趋磁细菌与甲藻（剧毒卡尔藻）的互作关系    75
4.1 引言    75
4.2 材料与方法    76
4.2.1 潮间带沉积物样品采集    76
4.2.2 藻种与实验条件    76
4.2.3 菌种与实验条件    77
4.2.4 光学显微镜观察剧毒卡尔藻捕食趋磁细菌    80
4.2.5 透射电子显微镜观察剧毒卡尔藻细胞内磁小体    80
4.2.6 捕食趋磁细菌对剧毒卡尔藻生长的影响    80
4.2.7 捕食趋磁细菌对剧毒卡尔藻细胞内铁浓度的影响    81
4.2.8 捕食趋磁细菌对剧毒卡尔藻细胞外铁浓度的影响    82
4.2.9 捕食趋磁细菌后剧毒卡尔藻感磁性观察    83
4.3 实验结果    84
4.3.1 光学及荧光显微镜下观察剧毒卡尔藻    84
4.3.2 剧毒卡尔藻细胞内磁小体的特征    85
4.3.3 捕食趋磁细菌促进剧毒卡尔藻生长    87
4.3.4 捕食趋磁细菌促进异养生长活跃阶段的剧毒卡尔藻生长    88
4.3.5 捕食趋磁细菌提升剧毒卡尔藻细胞内铁浓度    89
4.3.6 捕食趋磁细菌提升剧毒卡尔藻细胞外铁浓度    91
4.3.7 捕食趋磁细菌后剧毒卡尔藻感磁性    93
4.4 讨论    93
4.5 小结    98
第5章 结论、创新点及展望    99
5.1 结论    99
5.2 创新点    100
5.3 展望    100
参考文献    103
附录一  热液区趋磁细菌16S rRNA基因相关序列    123
附录二  热液区趋磁细菌磁小体基因同源序列    124
附录三 冷泉区趋磁细菌16S rRNA基因相关序列（CST1、CST2、CST3）    129
附录四  冷泉区趋磁细菌16S rRNA基因相关序列（ZD1、ZD2、ZD4）    133
致    谢    135
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果    137