胶州湾潮间带海洋趋磁细菌的特性研究

论文摘要

趋磁细菌（magnetotactic bacteria, MTB）是一类可以沿着磁力线方向运动的细菌,包含多种形态不同的革兰氏阴性细菌,广泛分布在淡水、海洋和土壤等环境中。它们能够在体内生物控制矿化合成纳米级（35-120 nm）的磁铁矿（Fe3O4）或胶黄铁矿（Fe3S4）磁小体,是生物矿化研究的模式生物,在铁、硫等元素的生物地化循环过程中起重要作用。为了解趋磁细菌在世界各地的地理分布,本研究分析了GenBank中239条趋磁细菌16S rDNA序列（至2009年6月）,相似性分析后有137条不同的序列（海洋55条,淡水82条）,分别属于变形菌门和硝化螺旋菌门。系统进化分析显示,全球趋磁细菌的分布具有一定的区域性,海洋与淡水趋磁细菌区分明显。不同地域的趋磁细菌的系统进化分析显示,趋磁细菌具有比较明显的生态分布特征,海洋与淡水的趋磁细菌有明显的差别;而同为海洋或淡水的环境中,趋磁细菌相似性较高,即相同生境中的趋磁细菌相似性较高,表明趋磁细菌的类型与生境条件有很大关联性。基于16S rDNA序列分析,我们推测趋磁细菌起源可能是多源的,环境条件可能作为重要的进化压力在趋磁细菌长期演化过程中扮演重要角色。同时,以胶州湾海域趋磁细菌为研究对象,采用传统的分类学方法如显微镜技术等,对未培养的趋磁细菌样品,主要是特定环境中的优势菌,进行了分析和研究,发现3种之前未曾报道的呈现双节结构的趋磁细菌,弧形趋磁细菌、长杆状双节趋磁细菌和球杆状双节趋磁细菌,并对弧形趋磁细菌和球杆状双节趋磁细菌的磁小体特征进行了初步研究,发现了许多未曾报道的现象,如特殊的形态特征,少见的磁小体特征,特殊的运动形式—漫步运动等,它们不仅补充了胶州湾趋磁细菌的资源库,也为生物磁学的研究提供良好的实验对象,值得我们进一步的研究与探索。另外,本研究重点对豆型趋磁球菌进行了特性研究,采用电镜技术、分子生物学技术（如PCR、RFLP、FISH等）进行了深入的研究。豆型趋磁细菌在青岛汇泉湾潮间带区域占绝对优势,它们的形态为球形至卵球形,似豆子,大小为2.8±0.3μm×2.0±0.2μm,侧生两簇鞭毛,对磁场反应非常敏感,极向趋磁运动;它们具有两种不同的磁小体排列形式,类群A包含两条磁小体链,而类群B占优势,包含簇状排列的磁小体,且两种磁小体具有不同的形态、大小分布特征:类群A的磁小体形态为长方体结构,而类群B属六面体棱柱状,两种类型细胞磁小体的成分均为Fe3O4,属于单磁畴晶体。利用PCR-RFLP技术,经过FISH技术验证,我们得到了两条16S rDNA序列,两者之间的序列相似性为91.7%,系统发育学分析显示,它们分别与环境中未培养的趋磁球菌相似性最近,隶属于α-变形菌纲的新属,表明它们是该区域新发现的海洋微生物资源。另外,我们还发现了豆型趋磁细菌未曾报道的喷泉式运动现象,对其特殊的趋磁-趋氧行为进行了初步的探讨,更深入的工作有待下一步的进行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1. 趋磁细菌
• 1.1.1. 趋磁细菌的发现
• 1.1.2. 趋磁细菌的特征
• 1.1.2.1. 趋磁—趋氧运动
• 1.1.2.2. 磁小体
• 1.1.3. 趋磁细菌的研究意义
• 1.2. 趋磁细菌研究进展
• 1.2.1. 趋磁细菌多样性研究
• 1.2.1.1. α-变形菌纲（α-Proteobacteria）趋磁细菌
• 1.2.1.2. δ-变形菌纲（δ-Proteobacteria）趋磁细菌
• 1.2.1.3. 硝化螺菌门（Nitrospirae）趋磁细菌
• 1.2.1.4. γ-变形菌纲（γ-Proteobacteria）趋磁细菌
• 1.2.2. 趋磁细菌生态学研究
• 1.2.2.1. 海洋生境
• 1.2.2.2. 淡水生境
• 1.2.3. 磁小体矿化机理研究
• 1.2.3.1. 磁小体岛
• 1.2.3.2. 磁小体矿化模型
• 1.2.4. 趋磁细菌其他方面的研究
• 1.3. 存在的科学问题和本研究的主要内容及意义
• 2. 趋磁细菌的地域分布特征
• 2.1. 数据来源与分析方法
• 2.1.1. 数据来源
• 2.1.2. 数据整理与分析方法
• 2.2. 结果与分析
• 2.2.1. 原始数据整理
• 2.2.2. 趋磁细菌系统进化分析
• 2.2.3. 不同区域的趋磁细菌比较
• 2.2.3.1. 海洋与淡水趋磁细菌比较
• 2.2.3.2. 不同海区海洋趋磁细菌比较
• 2.2.3.3. 不同地域淡水趋磁细菌比较
• 2.3. 讨论
• 2.4. 小结
• 3. 胶州湾沉积物中双节趋磁细菌特性的初步研究
• 3.1. 材料与方法
• 3.1.1. 样品采集
• 3.1.2. 趋磁细菌收集
• 3.1.3. 显微镜观察趋磁细菌的形态和趋磁运动
• 3.1.3.1. 光学显微镜观察菌体形态和运动
• 3.1.3.2. 荧光显微镜观察
• 3.1.4. 透射电镜观察磁小体的特征
• 3.2. 结果与分析
• 3.2.1. 弧形趋磁细菌的特征
• 3.2.1.1. 光镜形态特征
• 3.2.1.2. 电镜形态和磁小体特征
• 3.2.2. 长杆状双节趋磁细菌的特征
• 3.2.2.1. 运动特征
• 3.2.2.2. 形态特征
• 3.2.3. 球杆状双节趋磁细菌的特征
• 3.2.3.1. 运动特征
• 3.2.3.2. 光镜形态特征
• 3.2.3.3. 磁小体特征
• 3.3. 讨论
• 3.4. 小结
• 4. 豆型趋磁球菌的特性研究
• 4.1. 材料与方法
• 4.1.1. 样品采集和趋磁细菌收集
• 4.1.2. 显微镜观察形态和运动
• 4.1.3. 透射电镜观察磁小体特征
• 4.1.4. 16S rDNA 克隆文库的构建和筛选
• 4.1.4.1. 16S rDNA基因的扩增及纯化
• 4.1.4.2. 16S rDNA克隆文库的构建
• 4.1.4.3. RFLP 筛选克隆文库
• 4.1.5. 16S rDNA 序列及系统发育分析
• 4.1.6. 荧光原位杂交
• 4.1.6.1. 特异性寡核苷酸探针的设计
• 4.1.6.2. 荧光原位杂交操作步骤
• 4.2. 结果与分析
• 4.2.1. 趋磁细菌的收集
• 4.2.2. 光学显微镜形态观察
• 4.2.3. 电镜下豆型趋磁球菌的特征
• 4.2.3.1. 形态和磁小体特征
• 4.2.3.2. 磁小体及其他细胞内含物成分分析
• 4.2.4. 豆型趋磁球菌的系统发育学分析
• 4.2.4.1. 16S rRNA 基因的扩增
• 4.2.4.2. 限制性片段长度多态性（RFLP）分析
• 4.2.4.3. 豆型趋磁球菌的 16S rDNA 序列分析
• 4.2.4.4. 豆型趋磁球菌系统发育分析
• 4.2.5. FISH 检测
• 4.2.6. 豆型趋磁球菌的运动特征
• 4.3. 讨论
• 4.4. 小结
• 5. 总结
• 参考文献
• 附录
• 个人简历
• 已发表和投稿的学术论文
• 课题资助
• 致谢