青島海洋趨磁球菌QH-3的鞭毛特征

周 克, 潘紅苗 岳海東 肖 天 吳龍飛

（1. 中國科學院 煙臺海岸帶研究所, 山東煙臺 264003; 2．中國科學院 海洋研究所, 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東青島266071; 3．中國科學院研究生院, 北京100039; 4．中法生物礦化與納米結構聯合實驗室,北京100029; 5．法國科研院 馬賽地中海微生物研究所細菌化學實驗室, 法國馬賽）

青島海洋趨磁球菌QH-3的鞭毛特征

周 克1,2,3, 潘紅苗2, 岳海東2, 肖 天2,4, 吳龍飛4,5

（1. 中國科學院 煙臺海岸帶研究所, 山東煙臺 264003; 2．中國科學院 海洋研究所, 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東青島266071; 3．中國科學院研究生院, 北京100039; 4．中法生物礦化與納米結構聯合實驗室,北京100029; 5．法國科研院 馬賽地中海微生物研究所細菌化學實驗室, 法國馬賽）

趨磁細菌（magnetotactic bacteria, MTB）是一類能夠沿著磁力線運動的特殊細菌。MTB在胞內磁小體的導向下借助自身鞭毛進行趨磁趨氧運動, 以到達適宜的生境。本研究在青島潮間帶沉積物中發現大量的趨磁球菌, 通過光鏡與透射電鏡對其運動方式與顯微結構進行觀察。結果顯示優勢趨磁細菌為卵球形, 大小為2.5 μm×2.1 μm, 寬長比為0.85, 將其命名為QH-3。QH-3為趨北型（North-seeking）MTB, 運動速度88 μm/s, 細胞內兩側各有一條由棱柱形顆粒組成的磁小體鏈。QH-3在菌體同一側有兩個由直徑62 nm±9 nm的鞘包裹7根鞭毛組成的鞭毛束。這種特殊的鞭毛結構與已報道的致病菌的不同, 而與法國地中海趨磁球菌MO-1的相似。

趨磁球菌; 鞭毛鞘; 潮間帶; 青島

趨磁細菌（magnetotactic bacteria, MTB）是一類能夠沿著磁力線運動的特殊細菌。1963年S. Bellini發現一些細菌的運動受磁場的影響, 并將其命名為磁敏感性細菌（magnetosensitive bacteria）[1～3]。但是直到1975年R. P. Blakemore 在Science上報道海泥中的趨磁球菌后[4], 才引起不同領域科學家的廣泛關注。此后各國學者從各地的淡水和海洋沉積物以及層化水體中發現了各種形態的趨磁細菌, 如球形、桿形、弧形、螺旋形及多細胞聚集體等[5～10]。趨磁細菌是對具有趨磁性行為的細菌的統稱, 沒有分類學意義[11], 但它們具有一些共同的特征: 革蘭氏染色陰性（G-）; 有端生或叢生鞭毛; 細胞內含有單磁疇納米顆粒——磁小體（magnetosomes）, 具趨磁趨氧性等[12]。趨磁細菌在胞內磁小體的導向下, 借助自身鞭毛的推動, 進行趨磁-趨氧運動, 到達適宜的生境[12,13]。

盡管在自然界中趨磁細菌形態多樣, 但在許多沉積物中以球菌為優勢[14～16]。趨磁球菌占海洋沉積物趨磁細菌的比例可達 90%[10], 一些沉積物中的趨磁細菌甚至由單一種類的球菌組成[15,16]。張文燕等[17]基于GenBank中趨磁細菌16S rDNA序列系統進化樹的分析發現, 在海洋趨磁細菌中, 球形或卵球形的比例（70%）遠多于螺旋形或弧形, 是組成α-變形菌綱趨磁細菌的一個主要分支。現今, 趨磁球菌已成為MTB研究的熱點, 已獲得純培養的海洋趨磁球菌有 MC-1[18]和 MO-1[8]。作者近年在青島匯泉灣潮間帶發現了大量的趨磁球菌, 它們有時可以由單一的種類組成[16]。趨磁運動是磁小體導向與鞭毛推動共同協作的結果[19]。因此, 研究趨磁球菌的鞭毛特征有助于了解趨磁細菌的運動機制。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

于2009年11月10日在青島第一海水浴場采取表層沉積物與海水的混合物（兩者比例約 1: 1）共 12瓶, 每瓶約500 mL。

1.2 趨磁細菌的收集

樣品收集采用R-T法[20]。將磁鐵（S極朝向瓶壁）粘于樣品瓶壁的泥水界面之上約1 cm處, 約1 小時后將磁鐵附近水體吸出, 用裝有0.22 μm過濾海水的巴斯德管進行再次收集。

1.3 菌體形態與運動特征

通過亥姆霍茲線圈在顯微鏡周圍產生約0.2 mT的磁場, 用懸滴法在光鏡（Olympus BX51, CCD為DP71）下進行細菌形態與運動性的觀察, 在暗視野模式下延長曝光時間獲取細菌的運動軌跡并據此計算其運動速度。

1.4 鞭毛結構

將收集的樣品滴到覆有 Formvar膜的銅網上,用 1%的醋酸雙氧鈾進行負染（觀察菌體形態的則不染色）, 蒸餾水清洗后將銅網置于干燥器中自然干燥。通過HITACHI H8100透射電鏡（中國海洋大學電鏡室, 工作電壓75 kV）觀察磁小體及鞭毛特征。

2 研究結果

2.1 菌體形態

用R-T法收集后獲得黑色的菌斑, 取10 μL收集后的菌液用懸滴法在光鏡下觀察, 發現有大量的球菌進行定向游動, 其中多數順著磁場方向運動, 為趨北型（North-seeking）（圖 1A）, 只有少數細菌逆著磁力線方向運動, 為趨南型（South-seeking）。透射電鏡觀察發現這些細菌為球形或卵球形, 大小在（1.7×1.4）μm～（2.9×2.6） μm 之間, 平均值為 2.5 μm×2.1 μm（n=14）, 寬長比在 0.7～1.0之間, 平均值為 0.85（n=14）。將此球菌命名為QH-3。QH-3細胞內有棱柱形磁小體, 磁小體呈單鏈排列, 在菌體的兩側各有一條（圖 1 B）。

2.2 運動特征

在外加磁場下, QH-3的運動軌跡為螺旋形（圖1 C 插圖）。當磁場方向逆轉時, QH-3運動方向也發生逆轉, 運動軌跡呈現一個U型, 即U-Turn（圖1 C）。QH-3在0.2 mT磁場中的運動速度在66～152 μm/s之間, 平均值為 88 μm/s±13 μm/s（n=148）。

2.3 鞭毛結構

圖1 青島潮間帶的趨磁球菌QH-3Fig. 1 Magnetotactic cocci QH-3 from intertidal zone ofQingdao

趨磁球菌QH-3為雙鞭毛的卵球形細菌（圖2 A）,在菌體的同一側有兩個鞭毛束（圖2 B 1、C1、D1）。鞭毛束的直徑在40～90 nm之間, 平均值為62 nm±9 nm（n=36）。對100個鞭毛束的統計結果顯示, 85個鞭毛束的直徑從根部到末端基本保持一致, 內部的多根鞭毛為平行排列（如圖2 B2、C2）。15個鞭毛束的鞭毛在末端散開（圖2 D2, 圖3A）, 此時可出現鞭毛之間的交錯。通過對鞭毛在末端散開的菌體的觀察發現, 在鞭毛平行排列的位置有管狀結構包裹, 而在鞭毛開始散開的位置恰是這一結構消失的位置（圖3B）。因此, 推測這一管狀結構為鞭毛鞘。從多數鞭毛束的直徑從根部到末端無顯著變化, 且鞭毛為平行排列可以推測, QH-3鞭毛鞘的長度不短于鞭毛。而本研究中所看到的鞭毛鞘短于鞭毛的情況可能是由于樣品制備時鞘被降解。在15個鞭毛在末端散開的鞭毛束當中, 有11個鞭毛束內有7根鞭毛, 其余4個鞭毛束內的鞭毛數分別為6根, 5根和1根。據此推測, QH-3的每個鞭毛束內的鞭毛為 7根, 個別菌體鞭毛數的變化可能是樣品制備過程中鞭毛脫落所致。

圖2 趨磁球菌QH-3的鞭毛Fig. 2 Flagella of magnetotactic cocci QH-3

3 討論

本文研究了青島潮間帶趨磁球菌 QH-3的鞭毛特征, 發現其具有兩個帶鞘的鞭毛束, 鞘內具有7根鞭毛, 為我國趨磁細菌鞭毛鞘的首次報道。目前, 趨磁細菌的鞭毛鞘只在法國地中海MO-1[8]中有報道。QH-3的鞭毛結構與相隔甚遠的地中海趨磁球菌MO-1的相似, 后者在菌體的長軸面具有兩束帶鞘鞭毛, 鞘內的鞭毛數為7根[8]。而與MO-1細胞內只有一條磁小體鏈不同[8], QH-3細胞內有兩條磁小體鏈。因此, QH-3可作為研究趨磁性的新模式類群。

圖3 趨磁球菌QH-3的鞭毛束Fig. 3 Flagella bundles of magnetotactic cocci QH-3

鞭毛作為趨磁細菌的運動器官, 與趨磁細菌的運動關系密切。有研究表明, 如果趨磁球菌的磁小體鏈的方向與鞭毛的推動方向有夾角, 其在高于地磁場的場強下, 與磁場平行的運動速度隨著磁場強度的增加而降低[21]。QH-3的運動速度（88 μm/s）比從青島潮間帶分離培養的趨磁螺菌 QH-2（具兩根端生鞭毛）的速度（20～50 μm/s）高[22], 比法國地中海 MO-1的（250 μm/s）低[8]。

在細菌的諸多形態中, 球菌大部分沒有鞭毛。包含帶鞭毛球菌的屬有八疊球菌屬（Sarcina）、微球菌屬（Micrococcus）和動性球菌屬（Planococcus）等[23～25]。目前已發現的趨磁球菌多具有兩束鞭毛[8,13,16,21]。

迄今為止, 細菌的鞭毛鞘只在一些致病菌中有研究, 如幽門螺桿菌屬、霍亂弧菌、噬菌蛭弧菌等[26]。這些致病菌的鞭毛由鞘包裹一根鞭毛絲（filament）組成。鞭毛鞘具有雙層膜結構, 含有脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）, 可能源自細胞外膜[26～28]。鞭毛鞘可能與細菌的致病過程有關, 如幽門螺桿菌的鞭毛鞘有助于菌體黏附到宿主的腸道內膜, 還可以保護鞘內鞭毛絲, 以免其在胃的酸性環境被降解[26]。趨磁球菌鞭毛鞘的結構與成分尚不清楚, 而它在細菌的趨磁、趨氧、趨化、趨光等行為中的作用有待深入研究。

與原核生物相比, 帶鞘的鞭毛在真核生物中較常見。真核生物的鞭毛一般由細胞膜包裹的微管組成, 微管排列是 9＋2式, 即中心有一對由中央鞘包裹著的微管, 外圍環繞以兩兩連接在一起的 9組微管二聯體[29]。本研究中趨磁球菌的鞭毛鞘內具有多根鞭毛, 這與已報道的致病菌的鞭毛鞘內只有 1根鞭毛不同, 而與真核生物鞭毛鞘內具有多根鞭毛相近。趨磁細菌的帶鞘鞭毛可能是真核生物鞭毛與原核生物鞭毛的中間形式。

致謝:本研究的樣品由徐劍虹協助采集, 亥姆霍茲線圈由中國科學院地質與地球物理研究所李金華提供, 電鏡樣品的觀察得到中國海洋大學姜明老師的傾力協助, 謹致謝忱！

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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.

（本文編輯:張培新）

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

A

1000-3096（2010）12-0088-05

2010-04-06;

2010-07-02

國家自然科學基金項目（NSFC40776094和40906069）; 中國科學院海外杰出學者基金項目（2006-1-15）; 王寬誠教育基金會項目

周克（1980-）, 女, 廣西博白縣人, 博士研究生, 從事海洋微生物學研究, 電話 0532-82898584, E-mail: zhouke@qdio.ac.cn; 通信作者:肖天, E-mail: txiao@qdio.ac.cn, 吳龍飛, E-mail: wu@ifr88.cnrs-mrs.fr