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(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東煙臺(tái) 264003; 2．中國科學(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; 3．中國科學(xué)院研究生院, 北京100039; 4．中法生物礦化與納米結(jié)構(gòu)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京100029; 5．法國科研院 馬賽地中海微生物研究所細(xì)菌化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東煙臺(tái) 264003; 2．中國科學(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; 3．中國科學(xué)院研究生院, 北京100039; 4．中法生物礦化與納米結(jié)構(gòu)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京100029; 5．法國科研院 馬賽地中海微生物研究所細(xì)菌化學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 法國馬賽）

趨磁細(xì)菌（magnetotactic bacteria, MTB）是一類能夠沿著磁力線運(yùn)動(dòng)的特殊細(xì)菌。MTB在胞內(nèi)磁小體的導(dǎo)向下借助自身鞭毛進(jìn)行趨磁趨氧運(yùn)動(dòng), 以到達(dá)適宜的生境。本研究在青島潮間帶沉積物中發(fā)現(xiàn)大量的趨磁球菌, 通過光鏡與透射電鏡對(duì)其運(yùn)動(dòng)方式與顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示優(yōu)勢(shì)趨磁細(xì)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(yùn)動(dòng)速度88 μm/s, 細(xì)胞內(nèi)兩側(cè)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(cè)有兩個(gè)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(jié)構(gòu)與已報(bào)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(xì)菌（magnetotactic bacteria, MTB）是一類能夠沿著磁力線運(yùn)動(dòng)的特殊細(xì)菌。1963年S. Bellini發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)受磁場的影響, 并將其命名為磁敏感性細(xì)菌（magnetosensitive bacteria）[1～3]。但是直到1975年R. P. Blakemore 在Science上報(bào)道海泥中的趨磁球菌后[4], 才引起不同領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。此后各國學(xué)者從各地的淡水和海洋沉積物以及層化水體中發(fā)現(xiàn)了各種形態(tài)的趨磁細(xì)菌, 如球形、桿形、弧形、螺旋形及多細(xì)胞聚集體等[5～10]。趨磁細(xì)菌是對(duì)具有趨磁性行為的細(xì)菌的統(tǒng)稱, 沒有分類學(xué)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(xì)胞內(nèi)含有單磁疇納米顆?！判◇w（magnetosomes）, 具趨磁趨氧性等[12]。趨磁細(xì)菌在胞內(nèi)磁小體的導(dǎo)向下, 借助自身鞭毛的推動(dòng), 進(jìn)行趨磁-趨氧運(yùn)動(dòng), 到達(dá)適宜的生境[12,13]。

盡管在自然界中趨磁細(xì)菌形態(tài)多樣, 但在許多沉積物中以球菌為優(yōu)勢(shì)[14～16]。趨磁球菌占海洋沉積物趨磁細(xì)菌的比例可達(dá) 90%[10], 一些沉積物中的趨磁細(xì)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(xì)菌16S rDNA序列系統(tǒng)進(jìn)化樹的分析發(fā)現(xiàn), 在海洋趨磁細(xì)菌中, 球形或卵球形的比例（70%）遠(yuǎn)多于螺旋形或弧形, 是組成α-變形菌綱趨磁細(xì)菌的一個(gè)主要分支。現(xiàn)今, 趨磁球菌已成為MTB研究的熱點(diǎn), 已獲得純培養(yǎng)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(fā)現(xiàn)了大量的趨磁球菌, 它們有時(shí)可以由單一的種類組成[16]。趨磁運(yùn)動(dòng)是磁小體導(dǎo)向與鞭毛推動(dòng)共同協(xié)作的結(jié)果[19]。因此, 研究趨磁球菌的鞭毛特征有助于了解趨磁細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(xì)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(shí)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(jìn)行再次收集。

1.3 菌體形態(tài)與運(yùn)動(dòng)特征

通過亥姆霍茲線圈在顯微鏡周圍產(chǎn)生約0.2 mT的磁場, 用懸滴法在光鏡（Olympus BX51, CCD為DP71）下進(jìn)行細(xì)菌形態(tài)與運(yùn)動(dòng)性的觀察, 在暗視野模式下延長曝光時(shí)間獲取細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)軌跡并據(jù)此計(jì)算其運(yùn)動(dòng)速度。

1.4 鞭毛結(jié)構(gòu)

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

2 研究結(jié)果

2.1 菌體形態(tài)

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(fā)現(xiàn)有大量的球菌進(jìn)行定向游動(dòng), 其中多數(shù)順著磁場方向運(yùn)動(dòng), 為趨北型（North-seeking）（圖 1A）, 只有少數(shù)細(xì)菌逆著磁力線方向運(yùn)動(dòng), 為趨南型（South-seeking）。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)這些細(xì)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(xì)胞內(nèi)有棱柱形磁小體, 磁小體呈單鏈排列, 在菌體的兩側(cè)各有一條（圖 1 B）。

2.2 運(yùn)動(dòng)特征

在外加磁場下, QH-3的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋形（圖1 C 插圖）。當(dāng)磁場方向逆轉(zhuǎn)時(shí), QH-3運(yùn)動(dòng)方向也發(fā)生逆轉(zhuǎn), 運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一個(gè)U型, 即U-Turn（圖1 C）。QH-3在0.2 mT磁場中的運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)

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(xì)菌（圖2 A）,在菌體的同一側(cè)有兩個(gè)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(duì)100個(gè)鞭毛束的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 85個(gè)鞭毛束的直徑從根部到末端基本保持一致, 內(nèi)部的多根鞭毛為平行排列（如圖2 B2、C2）。15個(gè)鞭毛束的鞭毛在末端散開（圖2 D2, 圖3A）, 此時(shí)可出現(xiàn)鞭毛之間的交錯(cuò)。通過對(duì)鞭毛在末端散開的菌體的觀察發(fā)現(xiàn), 在鞭毛平行排列的位置有管狀結(jié)構(gòu)包裹, 而在鞭毛開始散開的位置恰是這一結(jié)構(gòu)消失的位置（圖3B）。因此, 推測(cè)這一管狀結(jié)構(gòu)為鞭毛鞘。從多數(shù)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(cè), 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(shí)鞘被降解。在15個(gè)鞭毛在末端散開的鞭毛束當(dāng)中, 有11個(gè)鞭毛束內(nèi)有7根鞭毛, 其余4個(gè)鞭毛束內(nèi)的鞭毛數(shù)分別為6根, 5根和1根。據(jù)此推測(cè), QH-3的每個(gè)鞭毛束內(nèi)的鞭毛為 7根, 個(gè)別菌體鞭毛數(shù)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(fā)現(xiàn)其具有兩個(gè)帶鞘的鞭毛束, 鞘內(nèi)具有7根鞭毛, 為我國趨磁細(xì)菌鞭毛鞘的首次報(bào)道。目前, 趨磁細(xì)菌的鞭毛鞘只在法國地中海MO-1[8]中有報(bào)道。QH-3的鞭毛結(jié)構(gòu)與相隔甚遠(yuǎn)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(nèi)的鞭毛數(shù)為7根[8]。而與MO-1細(xì)胞內(nèi)只有一條磁小體鏈不同[8], QH-3細(xì)胞內(nèi)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(xì)菌的運(yùn)動(dòng)器官, 與趨磁細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)關(guān)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(dòng)方向有夾角, 其在高于地磁場的場強(qiáng)下, 與磁場平行的運(yùn)動(dòng)速度隨著磁場強(qiáng)度的增加而降低[21]。QH-3的運(yùn)動(dòng)速度（88 μm/s）比從青島潮間帶分離培養(yǎng)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(xì)菌的諸多形態(tài)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(dòng)性球菌屬（Planococcus）等[23～25]。目前已發(fā)現(xiàn)的趨磁球菌多具有兩束鞭毛[8,13,16,21]。

迄今為止, 細(xì)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(jié)構(gòu), 含有脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）, 可能源自細(xì)胞外膜[26～28]。鞭毛鞘可能與細(xì)菌的致病過程有關(guān), 如幽門螺桿菌的鞭毛鞘有助于菌體黏附到宿主的腸道內(nèi)膜, 還可以保護(hù)鞘內(nèi)鞭毛絲, 以免其在胃的酸性環(huán)境被降解[26]。趨磁球菌鞭毛鞘的結(jié)構(gòu)與成分尚不清楚, 而它在細(xì)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(xì)胞膜包裹的微管組成, 微管排列是 9＋2式, 即中心有一對(duì)由中央鞘包裹著的微管, 外圍環(huán)繞以兩兩連接在一起的 9組微管二聯(lián)體[29]。本研究中趨磁球菌的鞭毛鞘內(nèi)具有多根鞭毛, 這與已報(bào)道的致病菌的鞭毛鞘內(nèi)只有 1根鞭毛不同, 而與真核生物鞭毛鞘內(nèi)具有多根鞭毛相近。趨磁細(xì)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(xié)助采集, 亥姆霍茲線圈由中國科學(xué)院地質(zhì)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(xué)姜明老師的傾力協(xié)助, 謹(jǐn)致謝忱！

[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, 潘紅苗, 朱開玲, 等. 青島匯泉灣海洋趨磁細(xì)菌多樣性研究[J].高技術(shù)通訊, 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] 張文燕, 張圣妲, 肖天, 等. 趨磁細(xì)菌的地域分布特征[J].環(huán)境科學(xué), 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. 伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)[M].第八版. 北京: 科學(xué)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(xué)基金項(xiàng)目（NSFC40776094和40906069）; 中國科學(xué)院海外杰出學(xué)者基金項(xiàng)目（2006-1-15）; 王寬誠教育基金會(huì)項(xiàng)目

周克（1980-）, 女, 廣西博白縣人, 博士研究生, 從事海洋微生物學(xué)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