徐 叢, 陳海濤, 張文燕, 陳一然, 董 逸, 潘紅苗, 杜海艦, 王明玲, 劉 佳, 滕兆潔, 肖 天

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三亞天涯海角潮間帶趨磁細(xì)菌特性

徐 叢1, 2, 3, 陳海濤4, 5, 張文燕1, 3, 陳一然1, 3, 董 逸1, 3, 潘紅苗1, 3, 杜海艦1, 3, 王明玲1, 3, 劉 佳1, 2, 3, 滕兆潔1, 2, 3, 肖 天1, 3

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東青島 266071; 4. 中國(guó)科學(xué)院三亞深海科學(xué)與工程研究所, 海南三亞 572000; 5. 中國(guó)科學(xué)院中法生物礦物與納米結(jié)構(gòu)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 海南三亞 572000)

在三亞天涯海角潮間帶沉積物中發(fā)現(xiàn)了一定量的海洋趨磁細(xì)菌, 最大豐度可達(dá)100 個(gè)/cm3。透射電子顯微鏡(TEM)觀察發(fā)現(xiàn)該區(qū)域趨磁細(xì)菌絕大多數(shù)為趨磁球菌。磁小體形狀單一, 皆為棱柱形; 磁小體排列方式多樣, 以鏈狀排列為主, 包括單鏈、雙鏈, 也有少數(shù)成簇排列。高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)與X-射線能譜儀(EDXS)結(jié)果表明, 磁小體成分為Fe3O4。趨磁細(xì)菌的鐵含量平均為2.05% (0.70%~7.53%)。通過(guò)16S rRNA基因文庫(kù)的構(gòu)建與測(cè)序, 在78個(gè)陽(yáng)性克隆中得到了16個(gè)趨磁細(xì)菌序列, 分屬9個(gè)OTU。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明, 其中8個(gè)OTU屬于α-變形菌綱, 1個(gè)OTU屬于γ-變形菌綱。在全部9個(gè)OTU中, 有8個(gè)OTU與已知趨磁細(xì)菌序列的相似性低于97%, 有5個(gè)OTU與已知趨磁細(xì)菌序列的相似性低于93%, 說(shuō)明該區(qū)域存在可觀的趨磁細(xì)菌資源。

潮間帶; 趨磁細(xì)菌; 多樣性; 磁小體; 16S rRNA 基因

趨磁細(xì)菌(magnetotactic bacteria)是一類能夠沿磁力線運(yùn)動(dòng)的特殊細(xì)菌[1], 趨磁性源于其含有的磁小體(magnetosome)與鞭毛, 其中磁小體起導(dǎo)向作用, 鞭毛提供運(yùn)動(dòng)動(dòng)力[2]。趨磁細(xì)菌形態(tài)多樣, 有單細(xì)胞的球菌、桿菌、弧菌、螺旋菌以及多細(xì)胞趨磁原核生物[3]。磁小體通常呈鏈狀排列, 有單鏈、雙鏈以及多鏈, 少數(shù)趨磁細(xì)菌的磁小體不成鏈排列[4-5]。磁小體的大小、形狀以及成分具有種屬特異性[4-8]; 趨磁細(xì)菌廣泛分布于湖泊和海洋環(huán)境中, 在全球鐵、硫、氧及氮等元素的地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)環(huán)境中扮演重要角色[9]。意大利學(xué)者Bellini在1963年首次發(fā)現(xiàn)了趨磁細(xì)菌[1, 10], 自1975年美國(guó)學(xué)者Blakemore在Science上報(bào)道趨磁細(xì)菌[11]之后, 科學(xué)家陸續(xù)由海洋、湖泊以及土壤等不同水陸生境中發(fā)現(xiàn)了趨磁細(xì)菌[3, 12]。目前已發(fā)現(xiàn)的趨磁細(xì)菌屬于變形菌門的α-變形菌綱、γ-變形菌綱與δ-變形菌綱, 硝化螺旋菌門以及Candidate division OP3[3]; GenBank(http: // www.ncbi.nlm.nih.gov)收錄的趨磁細(xì)菌16S rRNA基因序列約有2200個(gè)記錄(截至2015年9月)。在中國(guó), 趨磁細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)于多種生境, 這些生境主要分布在四個(gè)地區(qū): 溫帶的北京湖泊水庫(kù)(北海、密云水庫(kù)等)、西安湖泊河流(曲江池、護(hù)城河、未央湖)、山東半島沿岸的海灣潟湖(匯泉灣、膠州灣、月湖等)以及熱帶的海南島[12-16]。在海洋環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了形態(tài)相異、生理特點(diǎn)不同、分屬不同分類單元的趨磁細(xì)菌[14-18]。本文收集了三亞天涯海角潮間帶沉積物中的海洋趨磁細(xì)菌, 對(duì)趨磁細(xì)菌的形態(tài)、大小, 磁小體大小、數(shù)目、排列方式以及16S rRNA基因系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)行了分析, 并對(duì)其與不同地域、不同環(huán)境的趨磁細(xì)菌群落構(gòu)成進(jìn)行了比較。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)位于海南三亞天涯海角南海沿岸(18o17′29″N, 109o20′59″E)。2014年3月份在采樣點(diǎn)2次采集表層沉積物(0~10 cm), 分別裝在500 mL的塑料采樣瓶中, 每瓶沉積物約100~150 g, 之后向瓶中注入原位海水(沉積物與原位海水的比例約為1︰1),帶回實(shí)驗(yàn)室避光靜置2周, 進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.2 趨磁細(xì)菌的收集

將磁鐵粘貼在采樣瓶的外壁, S極朝向收集瓶。30 min后, 用巴斯德管吸取磁鐵附近的樣品約500 μL, 注入100 mL螺口玻璃瓶中進(jìn)行二次磁收, 瓶中菌液約40 mL。使用相同方法對(duì)二次磁收瓶中的樣品進(jìn)行磁富集。之后采用“T-T”法進(jìn)一步富集趨磁細(xì)菌[19]: 將5 mL移液器吸頭的頂端插入無(wú)菌離心管中, 離心管與移液器吸頭的頂端都注滿0.22 μm濾膜過(guò)濾的無(wú)菌原位海水, 將二次磁收集所得的菌液由移液器吸頭的粗端注入無(wú)菌原位海水中, 置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)(磁場(chǎng)強(qiáng)度約0.35 mT), 待離心管底端出現(xiàn)明顯的灰色菌斑, 則停止收集。取離心管底端菌液進(jìn)行顯微觀察與種類鑒定。

1.3 趨磁細(xì)菌計(jì)數(shù)、形態(tài)觀察與磁小體成分測(cè)定

使用Olympus BX51顯微鏡的微分干涉(Differential Interference Contrast, DIC)模式, 懸滴法觀察趨磁細(xì)菌并計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)方法是, 在采樣瓶磁鐵附近吸取菌液約1500 μL置于離心管, 混勻后吸取其中30 μL進(jìn)行懸滴法觀察計(jì)數(shù), 得趨磁細(xì)菌數(shù)目, 則原始樣品中細(xì)菌豐度為50/(為沉積物體積)。將磁收集的菌液, 滴在銅網(wǎng)上(北京中鏡科儀技術(shù)有限公司), 待樣品干后, 用透射電子顯微鏡(HITACHI H8100, 中國(guó)海洋大學(xué)電鏡室)對(duì)菌體與磁小體進(jìn)行觀察, 包括趨磁細(xì)菌菌體形態(tài)和大小, 磁小體形態(tài)、大小、數(shù)目及排列方式。用高分辨率透射電子顯微鏡(JEM2100, 山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院結(jié)構(gòu)成分測(cè)試中心)對(duì)磁小體成分進(jìn)行分析X-射線能量色散譜(EDXS)分析磁小體的成分; 拍攝磁小體條紋像, 測(cè)量晶體面間距, 與國(guó)際粉末衍射文件 The Powder Diffraction File, PDF-2中的鐵氧化物或鐵硫化物參數(shù)進(jìn)行比較。

1.4 趨磁細(xì)菌遺傳多樣性分析

1.4.1 制備DNA模板

取T-T方法收集的菌液, 用DEPC水洗滌3次, 以去除海水中的離子。而后用液氮與80℃水浴反復(fù)凍融三次, 使細(xì)胞壁破碎、細(xì)胞內(nèi)DNA溶出。

1.4.2 擴(kuò)增16S rRNA基因

參照Bosshard等的方法進(jìn)行PCR[20]。采用細(xì)菌16S rRNA基因通用引物27f(5′-AGA GTY TGA TCC TGG CTC AG-3′)與1492r(5′-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3′)。PCR的反應(yīng)條件是: 首先94℃預(yù)變性10 min, 然后94℃ 1 min, 50℃ 45 s, 72℃ 1 min, 循環(huán)25次, 72℃延伸10 min。利用濃度為0.1 g/L的瓊脂糖凝膠對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行電泳檢測(cè), 并用瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒(北京康為世紀(jì)生物科技有限公司)回收PCR產(chǎn)物。

1.4.3 連接、轉(zhuǎn)化與克隆及DNA序列測(cè)定

將自瓊脂糖凝膠中回收的PCR產(chǎn)物連接到載體pMD18-T(Takara, Japan)上, 轉(zhuǎn)化入Top10感受態(tài)細(xì)胞(北京全式金生物技術(shù)有限公司)中, 在含有X-gal、IPTG與氨芐青霉素的Super Optimal Broth (SOB)固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)感受態(tài)細(xì)胞。選擇具有氨芐青霉素抗性的菌落, 挑出少量菌體作為模板, 用引物M13-47 (5′-CGC CAG GGT TTT CCC AGT CAC GAC-3′)與RV-M (5′-GAG CGG ATA ACA ATT TCA CAC AGG-3′)進(jìn)行菌落PCR。擴(kuò)增產(chǎn)物通過(guò)濃度為0.1 g/L的瓊脂糖凝膠電泳, 檢驗(yàn)其是否為陽(yáng)性。將陽(yáng)性克隆交予南京金斯瑞生物科技有限公司進(jìn)行測(cè)序, 從而獲得16S rRNA基因序列。

1.4.4 16S rRNA基因序列分析

將16S rRNA基因序列進(jìn)行BLAST比對(duì)(http: // blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi), 得到與實(shí)驗(yàn)所得的各條序列相似性最高的已知序列。通過(guò)BioEdit軟件進(jìn)行相似性分析, 以MEGA3.1軟件的鄰位相接法進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析。

2 結(jié)果

2.1 趨磁細(xì)菌的豐度

通過(guò)光學(xué)顯微鏡鏡檢計(jì)數(shù), 經(jīng)計(jì)算三亞天涯海角潮間帶沉積物中趨磁細(xì)菌豐度最高可達(dá)100 ind./cm3。

2.2 趨磁細(xì)菌的形態(tài)

通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)觀察, 發(fā)現(xiàn)三亞天涯海角趨磁細(xì)菌絕大多數(shù)為球形與卵圓形(圖1), 菌體大小為(1.70±0.22) μm ×(1.30±0.15) μm(=32), 寬長(zhǎng)比為0.77±0.09(=32)。

A, B: 聚集在一起的多個(gè)趨磁球菌; C, D: 具有一條磁小體鏈的趨磁球菌; E: 具有兩條磁小體鏈的趨磁球菌; F: 桿狀趨磁細(xì)菌

A, B: Magnetotactic bacteria in a cluster; C, D: Magnetotactic bacteria with only one chain of magnetosomes; E: Magnetotactic bacteria with two chain of magnetosomes; F: Rod-shaped magnetotactic bacteria

2.3 磁小體的多樣性與成分

通過(guò)透射電子顯微鏡觀察, 可以發(fā)現(xiàn)三亞天涯海角趨磁細(xì)菌的磁小體鏈排列方式多樣, 磁小體個(gè)數(shù)、大小存在差別。圖2顯示了數(shù)量占優(yōu)的趨磁細(xì)菌中磁小體的各種排列方式。88%的趨磁細(xì)菌僅含有一條磁小體鏈, 9%的趨磁細(xì)菌含有兩條磁小體鏈, 還有3%的趨磁細(xì)菌的磁小體不成鏈排列。每個(gè)趨磁細(xì)菌所含磁小體個(gè)數(shù)不等, 數(shù)量介于8~15個(gè), 平均為11個(gè)。磁小體大小為(80.52±7.17) nm×(71.88±5.83) nm (=345),平均體積介于2.65×105~6.24×105nm3(=345)。X-射線能譜顯示趨磁細(xì)菌的磁小體成分主要為Fe與O, 結(jié)合高分辨率透射電子顯微鏡(晶格像面間距為2.11 ?, )結(jié)果(圖3), 推測(cè)磁小體化學(xué)成分為Fe3O4。據(jù)估算本實(shí)驗(yàn)中趨磁細(xì)菌的含鐵元素量范圍在0.70%~ 7.53%之間, 平均為2.05%(鐵元素含量=[(磁小體)×(Fe3O4)×(Fe)/(Fe3O4)]/[(菌體)×(菌體)×(1–85%)],(菌體)≈1g/cm3, 設(shè)趨磁細(xì)菌含水率為85%)。

A: 單條磁小體鏈; B: 平行的兩條磁小體鏈; C: 成簇的磁小體

A: One chain of magnetosomes; B: Two parallel chains of magnetosomes; C: Magnetosomes in a cluster

2.4 趨磁細(xì)菌遺傳多樣性分析

2.4.1 趨磁細(xì)菌16S rRNA基因序列測(cè)定

對(duì)得到的78個(gè)陽(yáng)性克隆進(jìn)行測(cè)序與比對(duì)分析, 發(fā)現(xiàn)其中屬于趨磁細(xì)菌的序列有16條, 分屬9個(gè)OTU(相似性<97%), 分別為: XC-S6、XC-S7、XC-S14、XC-S29、XC-S58、XC-S62、XC-S83、XC-S93、XC- S230。根據(jù)遺傳多樣性分析, 有8條序列所代表的細(xì)菌屬于OTU(XC-S29), 優(yōu)勢(shì)度達(dá)50.00%。其余各OTU都只有一條序列。香農(nóng)威納群落多樣性指數(shù)(Shannon-Weaver index of diversity)為2.50 nit, 均勻性指數(shù)為0.78。

2.4.2 趨磁細(xì)菌16S rRNA基因的系統(tǒng)發(fā)育分析

結(jié)果顯示(圖4), 本實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的趨磁細(xì)菌OTU XC-S29、-S58、-S62、-S230與strain SS-1 (JN896752.1)最接近(95.77%、89.33%、92.72%、88.60%), XC-S6與Uncultured Magnetococcus sp. clone MRT-130 (EF371494.1)最接近(92.01%),XC-S7與Uncultured Magnetococcus sp. clone MRT-82 (EF371483.1)最接近(95.97%), XC-S14與Uncultured Magnetococcus sp. clone M-67 (EF371491.1)最接近(98.63%), XC-S83與Uncultured Magnetococcus sp. clone M-12 (EF371481.1)最接近(96.62%), XC-S93與Magnetic bacterium strain rj520 (Y13207.1)最接近(91.41%)。相似度情況見(jiàn)表1。

表1 GenBank中與本實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的OTU最相似的序列

系統(tǒng)發(fā)育分析顯示, 8個(gè)OTU都屬于α-變形菌綱, 1個(gè)屬于γ-變形菌綱(XC-S83)。根據(jù)Stackebrandt等[21]認(rèn)為16S rRNA基因相似性小于97%屬于不同的種, 小于93%屬于不同的屬。對(duì)9個(gè)OTU相似性分析表明, 其中有8個(gè)OTU(XC-S6、XC-S7、XC-S29、XC-S58、XC-S62、XC-S83、XC-S93 、XC-S230)與已知趨磁細(xì)菌序列的相似性小于97%(88.60%~ 96.62%); 其中5個(gè)OTU(XC-S6、XC-S58、XC-S62、XC-S93、 XC-S230)與已知趨磁細(xì)菌序列的相似性小于93%(88.60%~92.72%)。

3 討論

三亞天涯海角位于旅游景區(qū)邊緣, 潮間帶底質(zhì)為沙灘、礁石混合型[22]。該環(huán)境沉積物中趨磁細(xì)菌的豐度可達(dá)100 個(gè)/cm3, 較已報(bào)道的一般環(huán)境中趨磁細(xì)菌的豐度(103~104個(gè)/ cm3)低[23], 遠(yuǎn)低于Files等報(bào)道的淡水環(huán)境沉積物中的趨磁細(xì)菌豐度(104個(gè)/cm3)[24], 與三亞紅樹(shù)林趨磁細(xì)菌豐度(102~103個(gè)/cm3)的最低值一致[25]。

在多次富集的樣品中, 觀察到的趨磁細(xì)菌絕大多數(shù)為趨磁球菌。已有研究表明, 無(wú)論是在海洋還是淡水生境中, 趨磁球菌在數(shù)量上都占優(yōu)勢(shì)[26-31]。本調(diào)查發(fā)現(xiàn)趨磁球菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(>99%)。透射電子顯微鏡下可以觀察到磁小體的排列方式與數(shù)目各異。潘紅苗等[32]在青島匯泉灣調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地潮間帶趨磁細(xì)菌磁小體幾乎全部為雙鏈排列, 我們此前在青島太平灣調(diào)查發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌磁小體雙鏈排列的占50%以上[33], 天涯海角趨磁細(xì)菌的磁小體單鏈排列的占接近90%, 說(shuō)明該地趨磁細(xì)菌磁小體排列異于上述兩區(qū)域。

Fe是地殼中含量第四高的元素, 也是幾乎所有生物必需的元素; 同時(shí)Fe循環(huán)也是生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵過(guò)程之一; 趨磁細(xì)菌在Fe循環(huán)的過(guò)程中十分重要[34-35]。鐵元素一般可以占到趨磁細(xì)菌干重的2%~3%, 這個(gè)比例比其他生物高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[36]。本研究估算出三亞天涯海角潮間帶趨磁細(xì)菌平均含鐵元素質(zhì)量比為2.05%, 與文獻(xiàn)報(bào)道一致。趨磁細(xì)菌是地質(zhì)微生物學(xué)和生物礦化作用研究的模式微生物[3]: 趨磁細(xì)菌主動(dòng)吸收環(huán)境中的Fe2+與Fe3+, 積累在成分為Fe3O4或Fe3S4的磁小體中[37]; 趨磁細(xì)菌死亡后磁小體中的Fe有的以離子形式回到環(huán)境里, 有的沉淀到沉積物中[38]; 還有的Fe由于趨磁細(xì)菌被捕食者捕食而進(jìn)入食物鏈[39]。林巍等認(rèn)為每平方千米湖泊趨磁細(xì)菌磁鐵礦年產(chǎn)量為0.95 kg(假設(shè)沉積物最上層10 cm存在趨磁細(xì)菌, 每立方厘米的沉積物含有1000個(gè)趨磁細(xì)菌, 每個(gè)趨磁細(xì)菌含20個(gè)磁小體, 每個(gè)磁小體體積為1.25×10–4μm3, 趨磁細(xì)菌的代時(shí)為12 h)[38]。本研究每立方厘米的沉積物中含有100個(gè)趨磁細(xì)菌, 每個(gè)趨磁細(xì)菌平均有磁小體11個(gè), 每個(gè)磁小體平均體積為4.23×10–4μm3, 則每平方千米潮間帶趨磁細(xì)菌可產(chǎn)生磁鐵礦0.18 kg。雖然三亞天涯海角趨磁細(xì)菌磁小體平均體積較大, 但是豐度與每個(gè)細(xì)菌的磁小體個(gè)數(shù)都少于淡水, 所以單位面積年平均磁鐵礦產(chǎn)量不及淡水, 也少于青島太平灣的產(chǎn)量(1.92 kg; 磁小體平均體積8.02×10–4μm3, 豐度為350 ind./cm3, 每個(gè)趨磁細(xì)菌平均含18個(gè)磁小體)[33]。Chen等根據(jù)磁學(xué)方法估算, 認(rèn)為群落中趨磁細(xì)菌更新一次需要28.3天, 一年更新12.9次[40]; 以此參數(shù)計(jì)算, 則三亞天涯海角每平方千米潮間帶趨磁細(xì)菌磁鐵礦產(chǎn)量更低。使用不同的參數(shù)估算, 結(jié)果相差顯著, 趨磁細(xì)菌對(duì)Fe循環(huán)的真實(shí)貢獻(xiàn)尚需深入研究。

在三亞天涯海角獲得了16條趨磁細(xì)菌序列, 可以分作9個(gè)OTU(97%), 其中又有8個(gè)與已知趨磁細(xì)菌序列相似性小于97%, 5個(gè)與已知趨磁細(xì)菌序列相似性小于93%, 說(shuō)明熱帶潮間帶的趨磁細(xì)菌相比于溫帶[32-33]可能具有更高的多樣性。

與對(duì)青島太平灣趨磁細(xì)菌的調(diào)查結(jié)果比較(圖5)。太平灣趨磁細(xì)菌分為13個(gè)OTU[33, 41]。兩者采樣均在2014年春季三月份, 但兩地沒(méi)有相同的OTU, 且相似性小于92%。兩地趨磁細(xì)菌群落的Jaccard群落相似度指數(shù)為0; Jaccard群落相似度指數(shù)取值范圍為0~1, 值越小, 則群落相似性越低。兩地雖同屬潮間帶, 但是趨磁細(xì)菌群落的種類構(gòu)成差別顯著, 而且遺傳發(fā)育樹(shù)顯示天涯海角趨磁細(xì)菌在遺傳發(fā)育上差別更大。這可能與兩地緯度差異大、距離相距遠(yuǎn)、氣候差異巨大有關(guān)。首先, 三亞天涯海角與青島太平灣相距18個(gè)緯度, 直線距離相距2200余千米, 兩地不僅物種交流機(jī)會(huì)少, 年均氣溫也差異巨大。天涯海角屬于熱帶、太平灣屬于溫帶, 天涯海角所在的三亞市年均氣溫與海水水溫都在20℃以上; 太平灣所在的青島市則四季分明, 冬季風(fēng)大溫低, 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心)。此外, 三亞天涯海角采樣地位于核心景區(qū)邊緣, 距離海水浴場(chǎng)較近, 人類活動(dòng)比較頻繁, 對(duì)潮間帶環(huán)境影響較大; 太平灣的采樣地不在海水浴場(chǎng)范圍內(nèi), 人類活動(dòng)對(duì)該地影響較小。

與法國(guó)地中海Gulf of Fos潮間帶趨磁細(xì)菌群落比較。Gulf of Fos的潮間帶(43o26′N, 4o49′E)受石油精煉與鋼鐵冶煉活動(dòng)的影響, 在這里發(fā)現(xiàn)了球形、弧狀、桿狀的趨磁細(xì)菌, 磁小體的形狀僅有立方體形, 僅發(fā)現(xiàn)4個(gè)與已知趨磁細(xì)菌序列相似性小于97%的OTU[42]。而三亞天涯海角采樣地旅游活動(dòng)頻繁, 沒(méi)有重工業(yè)分布, 發(fā)現(xiàn)的與已知趨磁細(xì)菌序列相似性小于97%的OTU數(shù)量是Gulf of Fos的兩倍多, 表明不同的環(huán)境、不同的污染類型都有可能影響趨磁細(xì)菌的多樣性。

綜上, 獨(dú)特的地理位置與環(huán)境可能是造成三亞天涯海角趨磁細(xì)菌異于其他地區(qū)的重要因素。該地區(qū)趨磁細(xì)菌不僅具有其獨(dú)特性, 而且多樣性非常豐富, 更充分的調(diào)查研究和資源收集十分必要。

致謝: 本研究的樣品由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所徐劍虹老師與張蕊老師協(xié)助采集, 電子顯微鏡的使用得到中國(guó)海洋大學(xué)姜明老師與山東大學(xué)馬希騁老師的傾力協(xié)助, 謹(jǐn)致謝忱。

[1] Frankel R B. The discovery of magnetotactic/magneto-sensitive bacteria[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2009, 27(1): 1-2.

[2] Frankel R B, Bazylinski D A, Johnson M S, et al. Magneto-aerotaxis in marine coccoid bacteria[J]. Biophysical Journal, 1997, 73(2): 994-1000.

[3] Bazylinski D A, Lefèvre C T, Schüler D. Magnetotactic bacteria[A]//Rosenberg E, DeLong E F, Lory S, et al. The Prokaryotes. Heidelberg: Springer, 2013: 453-494.

[4] Benzerara K, Menguy N. Looking for traces of life in minerals[J]. Comptes Rendus Palevol, 2009, 8(7): 617- 628.

[5] Farina M, de Barros L. Ultrastructure of a magnetotactic microorganism[J]. Biology of the Cell, 1983, 48(1): 85- 88.

[6] Bazylinski D A, Frankel R B. Magnetosome formation in prokaryotes[J]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(3): 217-230.

[7] Bazylinski D A, Moskowitz B M. Microbial biomineralization of magnetic iron minerals; microbiology, magnetism and environmental significance[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 1997, 35: 181-223.

[8] Schüler D. Formation of magnetosomes in magnetotactic bacteria[J]. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology, 1999, 1(1): 79-86.

[9] Simmons S L, Edwards K J. Geobiology of magnetotactic bacteria[M]//Magnetoreception and Magnetosomes in Bacteria. Berlin Heidelberg: Springer, 2007: 77-102.

[10] Bellini S. On a unique behavior of freshwater bacteria[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2009, 27(1): 3-5.

[11] Blakemore R P. Magnetotactic bacteria[J]. Science, 1975, 190(4212): 377-379.

[12] Lin W, Wang Y Z, Gorby Y, et al. Integrating niche- based process and spatial process in biogeography of magnetotactic bacteria[J]. Scientific Reports, 2013, 3: 1643.

[13] 陳海濤, 林巍, 王寅炤, 等. 西安未央湖趨磁細(xì)菌多樣性與磁學(xué)研究[J]. 第四紀(jì)研究, 2013, 33(1): 88-96. Chen Haitao, Lin Wei, Wang Yinzhao, et al. Diversity and magnetism of magnetotactic bacteria in lake Weiyang near Xi’an city[J]. Quaternary Sciences, 2013, 33(1): 88-96.

[14] Chen Y R, Zhang R, Du H J, et al. A novel species of ellipsoidal multicellular magnetotactic prokaryotes from Lake Yuehu in China[J]. Environmental Microbiology, 2015, 17(3): 637-647.

[15] Zhou K, Pan H M, Zhang S D, et al. Occurrence and microscopic analyses of multicellular magnetotactic prokaryotes from coastal sediments in the Yellow Sea[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2011, 29(2): 246-251.

[16] Zhang R, Chen Y R, Du H J, et al. Characterization and phylogenetic identification of a species of spherical multicellular magnetotactic prokaryotes that produces both magnetite and greigite crystals[J]. Research in Microbiology, 2014, 165(7): 481-489.

[17] Zhang W Y, Zhou K, Pan H M, et al. Novel rod-shaped magnetotactic bacteria belonging to the class[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(9): 3137-3140.

[18] Zhang W Y, Zhou K, Pan H M, et al. Two genera of magnetococci with bean-like morphology from intertidal sediments of the Yellow Sea, China[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2012, 78(16): 5606-5611.

[19] 周克. 黃海沉積物多細(xì)胞趨磁原核生物的特性研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2010. Zhou Ke. Characterization of multicellular magnetotactic prokaryotes from coastal sediments of Yellow Sea[D]. Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2010.

[20] Bosshard P P, Santini Y, Grüter D, et al. Bacterial diversity and community composition in the chemocline of the meromictic alpine Lake Cadagno as revealed by 16S rDNA analysis[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2000, 31(2): 173-182.

[21] Stackebrandt E, Goebel B M. Taxonomic note: a place for DNA-DNA reassociation and 16S rRNA sequence analysis in the present species definition in bacteriology[J]. International Journal of Systematic Bacteriology, 1994, 44(4): 846-849.

[22] 佟文天, 李捷, 王海艷, 等. 海南三亞風(fēng)景區(qū)潮間帶軟體動(dòng)物的資源現(xiàn)狀研究[J]. 海洋科學(xué), 2013, 37(8): 11-15. Tong Wentian, Li Jie, Wang Haiyan, et al. The current situation of intertidal shellfish resources in Sanya, Hainan[J]. Marine Sciences, 2013, 37(8): 11-15.

[23] Blakemore R P. Magnetotactic bacteria[J]. Annual Reviews in Microbiology, 1982, 36(1): 217-238.

[24] Flies C B, Jonkers H M, Beer D, et al. Diversity and vertical distribution of magnetotactic bacteria along chemical gradients in freshwater microcosms[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2005, 52(2): 185-195.

[25] 陳海濤, 李金華, 張維佳, 等. 三亞紅樹(shù)林趨磁細(xì)菌的多樣性研究[C]//2015年第六屆“趨磁細(xì)菌研究及其應(yīng)用”研討會(huì)論文摘要. 無(wú)錫: 江南大學(xué)醫(yī)學(xué)院, 2015. Chen Haitao, Li Jinhua, Zhang Weijia, et al. The research on the diversity of magnetotactic bacteria of the mangrove in Sanya[C]// Research & Applying of Magnetotactic Bacteria, 2015. Wuxi: Jiangnan University School of Medicine, 2015.

[26] Lin W, Pan Y X. Uncultivated magnetotactic cocci from yuandadu park in Beijing, China[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(12): 4046-4052.

[27] Lin W, Li J H, Schüler D, et al. Diversity analysis of magnetotactic bacteria in Lake Miyun, northern China, by restriction fragment length polymorphism[J]. Systematic and Applied Microbiology, 2009, 32(5): 342-350.

[28] Spring S, Amann R, Ludwig W, et al. Dominating role of an unusual magnetotactic bacterium in the microaerobic zone of a freshwater sediment[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1993, 59(8): 2397- 2403.

[29] Spring S, Lins U, Amann R, et al. Phylogenetic affiliation and ultrastructure of uncultured magnetic bacteria with unusually large magnetosomes[J]. Archives of Microbiology, 1998, 169(2): 136-147.

[30] Pan H M, Zhu K L, Song T, et al. Characterization of a homogeneous taxonomic group of marine magnetotactic cocci within a low tide zone in the China Sea[J]. Environmental Microbiology, 2008, 10(5): 1158-1164.

[31] Flies C B, Peplies J, Schüler D. Combined approach for characterization of uncultivated magnetotactic bacteria from various aquatic environments[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2005, 71(5): 2723-2731.

[32] Pan H, Zhu K, Song T, et al. Characterization of a homogeneous taxonomic group of marine magnetotactic cocci within a low tide zone in the China Sea[J]. Environmental Microbiology, 2008, 10(5): 1158-1164.

[33] 徐叢, 張文燕, 陳一然, 等. 青島太平灣潮間帶趨磁細(xì)菌多樣性研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(14): 4346-4354. Xu Cong, Zhang Wenyan, Chen Yiran, et al. Diversity of magnetotactic bacteria in the intertidal zone of Taiping Bay, Qingdao[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(14): 4346-4354.

[34] Westbroek P, De Jong E W. Biomineralization and Biological Metal Accumulation: Biological and Geological Perspective. Papers Presented at the Fourth International Symposium on Biomineralization, Renesse, The Netherlands, June 2-5, 1982 [M]. Berlin: Springer, 1983.

[35] Winklhofer M. Magnetoreception[J]. Journal of The Royal Society Interface, 2010, 7(Suppl 2): S131-S134.

[36] Heyen U, Schüler D. Growth and magnetosome formation by microaerophilic Magnetospirillum strains in an oxygen-controlled fermentor[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2003, 61(5-6): 536-544.

[37] Schüler D. Genetics and cell biology of magnetosome formation in magnetotactic bacteria[J]. FEMS Microbiology Reviews, 2008, 32(4): 654-672.

[38] Lin W, Bazylinski D A, Xiao T, et al. Life with compass: diversity and biogeography of magnetotactic bacteria[J]. Environmental Microbiology, 2013. doi: 10.1111/1462- 2920.12313.

[39] Martins J L, Silveira T S, Abreu F, et al. Grazing protozoa and magnetosome dissolution in magnetotactic bacteria[J]. Environmental Microbiology, 2007, 9(11): 2775-2781.

[40] Chen A P, Berounsky V M, Chan M K, et al. Magnetic properties of uncultivated magnetotactic bacteria and their contribution to a stratified estuary iron cycle[J]. Nature Communications, 2014, 5. DOI: 10.1038/ ncomms5797.

[41] 徐叢. 不同海洋生境沉積物趨磁細(xì)菌的多樣性研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 2015. Xu Cong. Diversity of magnetotactic bacteria in sediments of different marine habitats[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2015.

[42] Postec A, Tapia N, Bernadac A, et al. Magnetotactic bacteria in microcosms originating from the French Mediterranean coast subjected to oil industry activities[J]. Microbial Ecology, 2012, 63(1): 1-11.

Characterization of magnetotactic bacteria found in the intertidal zone of Tianyahaijiao, Sanya, China

XU Cong1, 2, 3, CHEN Hai-tao4, 5, ZHANG Wen-yan1, 3, CHEN Yi-yan1, 3, DONG Yi1, 3,PAN Hong-miao1, 3, DU Hai-jian1, 3, WANG Ming-ling1, 3, LIU Jia1, 2, 3, TENG Zhao-jie1, 2, 3, XIAO Tian1, 3

(1. Key Laboratory of Marine Ecology & Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China; 4. Sanya Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China; 5. Laboratoire International Associe Franco-Chinois de Bio-Mineralisation et Nano-Structures, Sanya 572000, China)Received：Sep. 29, 2015

Intertidal zone; magnetotactic bacteria; diversity; magnetosome; 16S rRNA gene

A quantity of magnetotactic bacteria (MTB) were found in the intertidal zone of Tianyahaijiao, Sanya, China, where the maximum abundance can reach up to 100 ind./cm3. Transmission electron microscopy (TEM) revealed that most of the MTB were magnetotactic cocci, containing magnetosomes, which were prismatic mineral crystals, mostly organized in chain(s) (one or two chains), while some were in cluster. High-resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXA) showed that the magnetosomes contained magnetite. It was estimated that the percentage of Fe found in the MTB was 0.70%~7.53% (average 2.05%). Phylogenetic analyses, based on 16S rRNA gene sequences, revealed that 16 sequences of MTB belonged to 9 operational taxonomic units (OTUs) and were affiliated to the class, except that one OTU was affiliated to the class. Eight OTUs shared < 97% 16S rRNA gene sequence similarity with the nearest known sequences, in which 5 OTUs shared lower than 93% similarity. These results indicate that the MTB resources in Tianyahaijiao were considerable.

Q938

A

1000-3096(2016)07-0008-09

10.11759/hykx20150929001

2015-09-29;

2016-01-08;

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276170, 41206150, 41330962); 三亞市院地科技合作項(xiàng)目(2014YD02); 國(guó)家基金委-山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目“海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)”(U1406403)

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41276170, No. 41206150, No. 41330962; Project of Academy Locality Science and Tech nology Cooperation of Sanya City, China, No. 2014YD02; NSFC-Shandong Joint Fund “Marine Ecology & Environmental Sciences”, No. U1406403]

徐叢(1989-), 男, 山東濟(jì)南人, 博士研究生, 從事海洋微生物生態(tài)學(xué)研究, 電話: 0532-82898584, E-mail: xucong112@mails.ucas. ac.cn;肖天,通信作者,研究員, 博士生導(dǎo)師, 電話: 0532-82898586, E-mail: txiao@qdio.ac.cn

(本文編輯: 康亦兼)