地磁变化对趋磁微生物影响及其机理研究

Earth is so far considered the sole planet in the Universe that harbors life. Earth’s magnetic field is essential to the origin and evolution of organisms, because the field protects life from harmful comic rays and solar winds, and serves as a free and global scale orientation cue for many of them, particularly, during their migrating or homing processes. The proposed project focuses on investigating effects of geomagnetic field on magnetotactic bacteria. Magnetotactic bacteria are a model group of microorganisms that can orient and swim along field lines of Earth’s magnetic field. They are world-wide in distribution and ubiquitous in sediments and water columns of freshwater, brackish, marine and hypersaline aquatic environments. However, diversity and distribution of magentotactic bacteria in nature remain poorly understood. In this project, comprehensive laboratory experiments, including room and low temperature rock magnetic measurements, molecular approaches, and transmission electron microscopy, redeposition experiments will be used to study the phylogenetic diversity, biogeographic distribution, and biomineralization of magnetotactic bacteria. Rock magnetic detection of magnetofossils in ancient lake sediments will be also carried out. Outcomes of this project will enable better understand the biodiversity and evolution of magnetotactic bacteria in nature, and the possible linkages between these microorganisms and the geomagnetic field.

认识地磁场对地质微生物的影响是地球环境演化与生命过程领域的前沿交叉课题。趋磁细菌是地质微生物与地磁场关系密切的类群，它们能利用细胞内合成纳米尺寸的、呈单（多）条链排列的磁铁矿或胶黄铁矿磁小体，感知地磁场并沿磁力线定向游弋；它们广泛参与自然界铁、碳、硫等元素循环，沉积物中化石磁小体还是沉积物磁和环境信号的重要载体。因此，趋磁细菌的生物地磁学研究对于地质微生物学、古地磁学和环境磁学都具有重要意义。项目选择环境中未培养的和实验室可培养的趋磁细菌作为研究对象，通过野外观测和实验模拟相结合，从行为学到分子机制，系统研究地磁环境及其变化对趋磁细菌的地理分布格局、细胞铁转运、磁小体合成和趋磁性等的影响，揭示趋磁细菌响应地磁场的机理。同时，实验研究磁小体记录沉积剩磁的能力，探讨沉积物中化石磁小体携带的古磁场与古环境信息。项目从地球物理学视角认识环境演化与生命过程，拓展生物地磁学交叉研究。

本项目通过地球物理学和生命科学学科交叉，以趋磁细菌和化石磁小体以及生物源磁性纳米颗粒为材料，开展了系统的基础科学研究和初步的应用探索研究，取得多项创新性成果：1）发现了属于ζ-变形菌纲和λ-变形菌纲的趋磁细菌，提出了微生物趋磁性古老单起源的新模型，通过分子钟模型计算揭示出趋磁细菌起源于中太古代，可能是地球上最早出现的既能感应磁场又能进行矿化的生物类群；2）获得了趋磁大杆菌MYR-1的基因组草图和多个硝化螺旋菌门趋磁细菌所特有的磁小体岛基因，发现了子弹头形磁小体的“多阶段晶体生长规律”，并提出 “子弹头形磁小体及其[001]晶体拉长”可能是可靠的化石磁小体的新判据；3）发现了紫外辐射能降低趋磁细菌的数量并使其细胞生长延迟，然而能促进磁小体的生物合成；4）在达里湖全新世沉积物中发现了化石磁小体，并揭示其含量变化与全新世暖期(HWP)期间气候条件相关；和5）利用基因工程重了空壳人铁蛋白，仿生矿化合成了不同粒径和不同含量钴掺杂的人源磁性铁蛋白纳米颗粒(M-HFn)，为磁性铁蛋白生物纳米医学应用奠定了基础。项目执行期间，共发表国际SCI文章23篇（其中第一资助8篇，第二资助7篇），获得国家发明专利2项。项目负责人在美国地球物理会议（AGU Fall Meeting）成功召集和组织了3次生物地磁学专题，2017年当选中国科学院院士，项目组2名成员获得国家基金委优青资助，2人晋升研究员，5人获得博士学位，1人获得硕士学位。本项目执行顺利，完成设定目标，推动了生物地磁学学科发展和抬升了课题组在该领域的国际影响力，培养了从事生物地磁学交叉学科科学研究的优秀青年人才。