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中科院:科研人员提出微生物趋磁性古老单起源新模型

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  在国家自然科学基金项目(项目编号:41330104, 41621004,
41374074)等资助下,中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室、中-法生物矿化与纳米结构联合实验室生物地磁学研究团队林巍副研究员、潘永信研究员等与合作者在微生物矿化和生物感磁的起源研究中取得重要进展。研究成果以“Origin
of microbial biomineralization and magnetotaxis during the
Archean”为题,于2017年2月13日在线发表于PNAS。论文链接:

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新萄京娱乐场,  趋磁细菌通过基因控制矿化作用在细胞内合成纳米级的铁磁性颗粒,它们多呈链状排列,使细菌能够在地磁场中定向运动(趋磁性运动)。趋磁细菌作为生物矿化和生物感磁机理的模式类群,对其起源和演化的研究有助于揭示早期生物矿化出现的时间和理解古地磁场对生物演化的影响。

中科院地质地球所地球与行星物理重点实验室生物地磁学研究团队研究员林巍、潘永信等,联合澳大利亚国立大学和美国内华达大学拉斯维加斯分校的合作者,开展了迄今规模最大、跨越南北半球的趋磁细菌多样性和宏基因组研究。基于研究,研究团队提出了微生物趋磁性古老单起源的新模型。

  研究人员综合利用宏基因组学、系统发育基因组学、谱系年代学等技术方法,从基因组水平重建了已知趋磁细菌的系统发育关系,发现其矿化基因簇是随着基因组一起演化。进一步分析显示趋磁细菌在距今30亿年前(~3.4-3.2
Ga)就已经出现,是地球上最早起源的既能感应磁场又能进行矿化的生物类群。趋磁运动和生物矿化功能帮助微生物适应早期地球的强辐射等极端环境。据此推断中太古代地球磁场已经出现且强度不低于趋磁细菌感磁运动所需的最低磁场强度,当时海洋已经存在稳定的氧化-还原过渡带,为趋磁细菌的起源和演化提供了有利条件。

相关研究成果近日发表在《国际微生物生态学会会刊》。该研究受国家自然科学基金创新研究群体、中科院重点部署项目、中科院青年创新促进会等项目资助。

林巍告诉《中国科学报》记者,对趋磁细菌的研究不仅有助于认识生物趋磁性和生物矿化的起源和演化,而且对于理解高等生物,甚至人体内类似的感磁过程和机理等具有重要意义。

研究团队结合对公共数据库中已发表微生物基因组数据的筛选,共获得了28条、分属于3个细菌门类的环境趋磁细菌的基因组草图,首次发现了属于ζ-变形菌纲和λ-变形菌纲的趋磁细菌,确认了原先划分为α-变形菌纲的趋磁球菌应为一个独立的新纲——η-变形菌纲。同时,他们进一步对获得的磁小体基因簇进行系统发育研究和对比分析,发现调控Fe3O4和Fe3S4磁小体合成的核心基因具有共同的起源,垂直基因传递是其演化的主要驱动力,不支持多起源模型和水平基因传递模型。

基于上述研究,研究团队提出了微生物趋磁性古老单起源的新模型。“我们认为趋磁细菌的共同祖先在地质历史早期的太古代已经起源,在随后的演化中一部分微生物逐渐丢失磁小体基因簇成为不能趋磁的微生物,而在另一部分类群中磁小体基因簇保留下来并在演化中发生谱系特异性变化,逐渐形成了种类多样且在系统发育树上呈不连续分布的现生趋磁细菌。”
林巍表示。目前关于趋磁细菌的起源和演化一直存在争论,近年来磁小体基因簇的发现,为深入研究和认识趋磁细菌的分类、起源和演化提供了可能。

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