青岛海洋趋磁球菌QH-3的鞭毛特征

2010-09-24潘红苗岳海东吴龙飞

海洋科学 2010年12期

周克, 潘红苗岳海东肖天吴龙飞

（1. 中国科学院烟台海岸带研究所, 山东烟台 264003; 2．中国科学院海洋研究所, 海洋生态与环境科学重点实验室, 山东青岛266071; 3．中国科学院研究生院, 北京100039; 4．中法生物矿化与纳米结构联合实验室,北京100029; 5．法国科研院马赛地中海微生物研究所细菌化学实验室, 法国马赛）

青岛海洋趋磁球菌QH-3的鞭毛特征

周克1,2,3, 潘红苗2, 岳海东2, 肖天2,4, 吴龙飞4,5

趋磁细菌（magnetotactic bacteria, MTB）是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌。MTB在胞内磁小体的导向下借助自身鞭毛进行趋磁趋氧运动, 以到达适宜的生境。本研究在青岛潮间带沉积物中发现大量的趋磁球菌, 通过光镜与透射电镜对其运动方式与显微结构进行观察。结果显示优势趋磁细菌为卵球形, 大小为2.5 μm×2.1 μm, 宽长比为0.85, 将其命名为QH-3。QH-3为趋北型（North-seeking）MTB, 运动速度88 μm/s, 细胞内两侧各有一条由棱柱形颗粒组成的磁小体链。QH-3在菌体同一侧有两个由直径62 nm±9 nm的鞘包裹7根鞭毛组成的鞭毛束。这种特殊的鞭毛结构与已报道的致病菌的不同, 而与法国地中海趋磁球菌MO-1的相似。

趋磁球菌; 鞭毛鞘; 潮间带; 青岛

趋磁细菌（magnetotactic bacteria, MTB）是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌。1963年S. Bellini发现一些细菌的运动受磁场的影响, 并将其命名为磁敏感性细菌（magnetosensitive bacteria）[1～3]。但是直到1975年R. P. Blakemore 在Science上报道海泥中的趋磁球菌后[4], 才引起不同领域科学家的广泛关注。此后各国学者从各地的淡水和海洋沉积物以及层化水体中发现了各种形态的趋磁细菌, 如球形、杆形、弧形、螺旋形及多细胞聚集体等[5～10]。趋磁细菌是对具有趋磁性行为的细菌的统称, 没有分类学意义[11], 但它们具有一些共同的特征: 革兰氏染色阴性（G-）; 有端生或丛生鞭毛; 细胞内含有单磁畴纳米颗粒——磁小体（magnetosomes）, 具趋磁趋氧性等[12]。趋磁细菌在胞内磁小体的导向下, 借助自身鞭毛的推动, 进行趋磁-趋氧运动, 到达适宜的生境[12,13]。

尽管在自然界中趋磁细菌形态多样, 但在许多沉积物中以球菌为优势[14～16]。趋磁球菌占海洋沉积物趋磁细菌的比例可达 90%[10], 一些沉积物中的趋磁细菌甚至由单一种类的球菌组成[15,16]。张文燕等[17]基于GenBank中趋磁细菌16S rDNA序列系统进化树的分析发现, 在海洋趋磁细菌中, 球形或卵球形的比例（70%）远多于螺旋形或弧形, 是组成α-变形菌纲趋磁细菌的一个主要分支。现今, 趋磁球菌已成为MTB研究的热点, 已获得纯培养的海洋趋磁球菌有 MC-1[18]和 MO-1[8]。作者近年在青岛汇泉湾潮间带发现了大量的趋磁球菌, 它们有时可以由单一的种类组成[16]。趋磁运动是磁小体导向与鞭毛推动共同协作的结果[19]。因此, 研究趋磁球菌的鞭毛特征有助于了解趋磁细菌的运动机制。

1 材料和方法

1.1 样品采集

于2009年11月10日在青岛第一海水浴场采取表层沉积物与海水的混合物（两者比例约 1: 1）共 12瓶, 每瓶约500 mL。

1.2 趋磁细菌的收集

样品收集采用R-T法[20]。将磁铁（S极朝向瓶壁）粘于样品瓶壁的泥水界面之上约1 cm处, 约1 小时后将磁铁附近水体吸出, 用装有0.22 μm过滤海水的巴斯德管进行再次收集。

1.3 菌体形态与运动特征

通过亥姆霍兹线圈在显微镜周围产生约0.2 mT的磁场, 用悬滴法在光镜（Olympus BX51, CCD为DP71）下进行细菌形态与运动性的观察, 在暗视野模式下延长曝光时间获取细菌的运动轨迹并据此计算其运动速度。

1.4 鞭毛结构

将收集的样品滴到覆有 Formvar膜的铜网上,用 1%的醋酸双氧铀进行负染（观察菌体形态的则不染色）, 蒸馏水清洗后将铜网置于干燥器中自然干燥。通过HITACHI H8100透射电镜（中国海洋大学电镜室, 工作电压75 kV）观察磁小体及鞭毛特征。

2 研究结果

2.1 菌体形态

用R-T法收集后获得黑色的菌斑, 取10 μL收集后的菌液用悬滴法在光镜下观察, 发现有大量的球菌进行定向游动, 其中多数顺着磁场方向运动, 为趋北型（North-seeking）（图 1A）, 只有少数细菌逆着磁力线方向运动, 为趋南型（South-seeking）。透射电镜观察发现这些细菌为球形或卵球形, 大小在（1.7×1.4）μm～（2.9×2.6） μm 之间, 平均值为 2.5 μm×2.1 μm（n=14）, 宽长比在 0.7～1.0之间, 平均值为 0.85（n=14）。将此球菌命名为QH-3。QH-3细胞内有棱柱形磁小体, 磁小体呈单链排列, 在菌体的两侧各有一条（图 1 B）。

2.2 运动特征

在外加磁场下, QH-3的运动轨迹为螺旋形（图1 C 插图）。当磁场方向逆转时, QH-3运动方向也发生逆转, 运动轨迹呈现一个U型, 即U-Turn（图1 C）。QH-3在0.2 mT磁场中的运动速度在66～152 μm/s之间, 平均值为 88 μm/s±13 μm/s（n=148）。

2.3 鞭毛结构

图1 青岛潮间带的趋磁球菌QH-3Fig. 1 Magnetotactic cocci QH-3 from intertidal zone ofQingdao

趋磁球菌QH-3为双鞭毛的卵球形细菌（图2 A）,在菌体的同一侧有两个鞭毛束（图2 B 1、C1、D1）。鞭毛束的直径在40～90 nm之间, 平均值为62 nm±9 nm（n=36）。对100个鞭毛束的统计结果显示, 85个鞭毛束的直径从根部到末端基本保持一致, 内部的多根鞭毛为平行排列（如图2 B2、C2）。15个鞭毛束的鞭毛在末端散开（图2 D2, 图3A）, 此时可出现鞭毛之间的交错。通过对鞭毛在末端散开的菌体的观察发现, 在鞭毛平行排列的位置有管状结构包裹, 而在鞭毛开始散开的位置恰是这一结构消失的位置（图3B）。因此, 推测这一管状结构为鞭毛鞘。从多数鞭毛束的直径从根部到末端无显著变化, 且鞭毛为平行排列可以推测, QH-3鞭毛鞘的长度不短于鞭毛。而本研究中所看到的鞭毛鞘短于鞭毛的情况可能是由于样品制备时鞘被降解。在15个鞭毛在末端散开的鞭毛束当中, 有11个鞭毛束内有7根鞭毛, 其余4个鞭毛束内的鞭毛数分别为6根, 5根和1根。据此推测, QH-3的每个鞭毛束内的鞭毛为 7根, 个别菌体鞭毛数的变化可能是样品制备过程中鞭毛脱落所致。

图2 趋磁球菌QH-3的鞭毛Fig. 2 Flagella of magnetotactic cocci QH-3

3 讨论

本文研究了青岛潮间带趋磁球菌 QH-3的鞭毛特征, 发现其具有两个带鞘的鞭毛束, 鞘内具有7根鞭毛, 为我国趋磁细菌鞭毛鞘的首次报道。目前, 趋磁细菌的鞭毛鞘只在法国地中海MO-1[8]中有报道。QH-3的鞭毛结构与相隔甚远的地中海趋磁球菌MO-1的相似, 后者在菌体的长轴面具有两束带鞘鞭毛, 鞘内的鞭毛数为7根[8]。而与MO-1细胞内只有一条磁小体链不同[8], QH-3细胞内有两条磁小体链。因此, QH-3可作为研究趋磁性的新模式类群。

图3 趋磁球菌QH-3的鞭毛束Fig. 3 Flagella bundles of magnetotactic cocci QH-3

鞭毛作为趋磁细菌的运动器官, 与趋磁细菌的运动关系密切。有研究表明, 如果趋磁球菌的磁小体链的方向与鞭毛的推动方向有夹角, 其在高于地磁场的场强下, 与磁场平行的运动速度随着磁场强度的增加而降低[21]。QH-3的运动速度（88 μm/s）比从青岛潮间带分离培养的趋磁螺菌 QH-2（具两根端生鞭毛）的速度（20～50 µm/s）高[22], 比法国地中海 MO-1的（250 μm/s）低[8]。

在细菌的诸多形态中, 球菌大部分没有鞭毛。包含带鞭毛球菌的属有八叠球菌属（Sarcina）、微球菌属（Micrococcus）和动性球菌属（Planococcus）等[23～25]。目前已发现的趋磁球菌多具有两束鞭毛[8,13,16,21]。

迄今为止, 细菌的鞭毛鞘只在一些致病菌中有研究, 如幽门螺杆菌属、霍乱弧菌、噬菌蛭弧菌等[26]。这些致病菌的鞭毛由鞘包裹一根鞭毛丝（filament）组成。鞭毛鞘具有双层膜结构, 含有脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）, 可能源自细胞外膜[26～28]。鞭毛鞘可能与细菌的致病过程有关, 如幽门螺杆菌的鞭毛鞘有助于菌体黏附到宿主的肠道内膜, 还可以保护鞘内鞭毛丝, 以免其在胃的酸性环境被降解[26]。趋磁球菌鞭毛鞘的结构与成分尚不清楚, 而它在细菌的趋磁、趋氧、趋化、趋光等行为中的作用有待深入研究。

与原核生物相比, 带鞘的鞭毛在真核生物中较常见。真核生物的鞭毛一般由细胞膜包裹的微管组成, 微管排列是 9＋2式, 即中心有一对由中央鞘包裹着的微管, 外围环绕以两两连接在一起的 9组微管二联体[29]。本研究中趋磁球菌的鞭毛鞘内具有多根鞭毛, 这与已报道的致病菌的鞭毛鞘内只有 1根鞭毛不同, 而与真核生物鞭毛鞘内具有多根鞭毛相近。趋磁细菌的带鞘鞭毛可能是真核生物鞭毛与原核生物鞭毛的中间形式。

致谢:本研究的样品由徐剑虹协助采集, 亥姆霍兹线圈由中国科学院地质与地球物理研究所李金华提供, 电镜样品的观察得到中国海洋大学姜明老师的倾力协助, 谨致谢忱！

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

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

[3] Bellini S. Further studies on “magnetosensitive bacteria”[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2009, 27（1）: 6-12.

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

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

[6] Simmons S L, Sievert S M, Frankel R B,et al.Spatiotemporal distribution of marine magnetotactic bacteria in a seasonally stratified coastal Salt Pond[J].Applied and Environmental Microbiology, 2004, 70（10）:6230-6239.

[7] Amann R, Peplies J, Schüler D. Diversity and taxonomy of magnetotactic bacteria[A]. Schüler D. Magnetoreception and magnetosomes in bacteria[C]. Berlin,Heidelberg, Germany: Springer, 2006. 25-36.

[8] Lefèvre C, Bernadac A, Yu-Zhang K,et al.Isolation and characterization of a magnetotactic bacterial culture from the Mediterranean Sea[J].Environmental Microbiology, 2009, 11（7）: 1646-1657.

[9] 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.

[10] 邢素娥, 潘红苗, 朱开玲, 等. 青岛汇泉湾海洋趋磁细菌多样性研究[J].高技术通讯, 2008, 18（3）:312-317.

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

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

[13] 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.

[14] 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.

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

[16] 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.

[17] 张文燕, 张圣妲, 肖天, 等. 趋磁细菌的地域分布特征[J].环境科学, 2010, 31（2）: 450-458.

[18] Meldrum F, Mann S, Heywood B R,et al. Electron microscopy study of magnetosomes in a cultured coccoid magnetotactic bacterium[J].Proceedings: Bio-logical Sciences, 1993, 251: 231-236.

[19] Blakemore R P. Magnetotactic bacteria[J].Annual Review of Microbiology, 1982, 36: 217-238.

[20] Wolfe R S,Thauer R K, Pfennig N. A capillary racetrack method for isolation of magnetotactic bacteria[J].FEMS Microbiology Ecology, 1987, 45: 31-35.

[21] Pan Y X, Lin W, Li J H,et al. Reduced efficiency of magnetotaxis in magnetotactic coccoid bacteria in higher than geomagnetic fields[J]. Biophysical Journal, 2009, 97: 986-991.

[22] Zhu K L, Pan H M, Li J H,et al. Isolation and characterization of a marine magnetotactic spirillum axenic culture QH-2 from an intertidal zone of the China Sea[J].Research in Microbiology, 2010, 161（4）:276-283.

[23] 布坎南 R E, 吉本斯 N E. 伯杰细菌鉴定手册[M].第八版. 北京: 科学出版社, 1984.

[24] Leifson E. Micrococcus-eucinetus nsp[J]. International Bulletin of Bacteriological Nomenclature and Taxonomy, 1964, 14（1）: 41-44.

[25] Hale C M F, Bisset K A. The pattern of growth and flagellar development in motile gram-positive cocci[J].Journal of General Microbiology, 1958, 18（3）:688-691.

[26] Geis G, Suerbaum S, Forsthoff B,et al. Ultrastructure and biochemical-studies of the flagellar sheath ofHelicobacter pylori[J]. Journal of Medical Microbiology, 1993, 38（5）: 371-377.

[27] Fuerst J A, Perry J W. Demonstration of lipopolysaccharide on sheathed flagella ofVibrio choleraeO:1 by protein A-gold immunoelectron microscopy[J]. Journal of Bacteriology, 1988, 170（4）: 1488-1494.

[28] Thomashow L S, Rittenberg S C. Isolation and composition of sheathed flagella fromBdellovibrio bacteriovorus-109J[J]. Journal of Bacteriology, 1985, 163（3）:1047-1054.

[29] Mitchell D R. The evolution of eukaryotic cilia and flagella as motile and sensory organelles[J]. Eukaryotic Membranes and Cytoskeleton: Origins and Evolution, 2007, 607: 130-140.

Received: Apr., 6, 2010

Key words:magnetotactic bacteria; flagellar sheath; intertidal zone; Qingdao

Abstract:Magnetotactic bacteria can align and swim along the geomagnetic field lines. The motility is propelled by the rotation of semi-rigid flagellar filaments. In this study, we reported the motility and ultrastructure of marine magnetotactic cocci isolated from intertidal zone in Qingdao city. Results obtained by optical microscopy and transmission electron microscopy showed that these ovoid-shaped bacteria, QH-3, possessed two bundles of flagella.Each bundle with a diameter of about 62 nm ±9 nm consists of seven flagellar filaments enveloped in a sheath. The architecture of flagellar apparatus was similar to that of Mediterranean magneto-ovoid bacteria MO-1. However,QH-3 synthesized two chains of rectangular magnetosomes instead of one chain found in MO-1 cells. Such flagellar architecture has been reported only for some magnetotactic cocci. This observation suggests that the typical structure of the flagellar apparatus may be required for the magnetotactic motility of this group of microbes.

（本文编辑:张培新）

Architecture of flagellar apparatus of marine magnetotactic cocci from Qingdao

ZHOU Ke1,2,3, PAN Hong-miao2, YUE Hai-dong2, XIAO Tian2,4, WU Long-Fei4,5
（1. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. Key Laboratory of Marine Ecology & Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071, China; 3. Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China; 4. France-China Bio-Mineralization and Nano-Structures Laboratory, Beijing 100029, China; 5. Laboratoire de Chimie Bacteriénne, Université de la Méditerranée Aix-Marseille II, CNRS, Marseille, France）

Q178.531

1000-3096（2010）12-0088-05

2010-04-06;

2010-07-02

国家自然科学基金项目（NSFC40776094和40906069）; 中国科学院海外杰出学者基金项目（2006-1-15）; 王宽诚教育基金会项目

周克（1980-）, 女, 广西博白县人, 博士研究生, 从事海洋微生物学研究, 电话 0532-82898584, E-mail: zhouke@qdio.ac.cn; 通信作者:肖天, E-mail: txiao@qdio.ac.cn, 吴龙飞, E-mail: wu@ifr88.cnrs-mrs.fr