细菌的分类与进化(长达9000微米的巨型细菌挑战人类的刻板印象)

来源:生物探索

导语:细菌是生物主要类群之一,也是所有生物中数量最多的一类,主要分为球状、杆状以及螺旋状。实生活中,大多数细菌的细胞长度约为2微米,最大的或可达到750米。近日,科学家在红树林沼泽中发现了一种巨型细菌,其细胞长度大于9000微米,且肉眼可见。科学家将其命名为Ca. Thiomargarita magnifica

2022年6月24日,发表了题为“A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles”的研究文章。来自美国能源部联合基因组研究所(Joint Genome Institute,JGI)的科学家们在红树林沼泽中发现了一种巨型的丝状单体细菌,这种细胞肉眼可见,约有普通细菌的5000倍大!此外,科学家发现通过研究这种巨型细菌的形态、基因组特征及生命周期,发现其意想不到的复杂性

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图1 研究成果(图源:[1])

● 巨型细菌的定性

2009年,这种细菌最初由法国安地列斯大学海洋生物学教授Olivier Gros在探索瓜德罗普岛的红树林时偶然间发现(图2)。在现场取样的水看起来像收集的雨水,里面掺杂了一些树叶、碎屑和“丝线”,而这些细如丝线漂浮在碎片杂物之上的就是单体细菌细胞。Gros一开始以为它是一种真菌。回到实验室用显微镜分析后,Gros才发现这种生物不是真核生物,而是一种氧化硫的原核生物

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图2 瓜德罗普岛的红树林取样点(来源:Olivier Groz)

随后,文章的第一作者Jean-Marie Volland作为博士后研究员加入Gros实验室,参与了巨型细菌的研究。2018年,回到美国劳伦斯伯克利国家实验室工作的Volland,利用硬X射线断层扫描技术,观察到整个细丝长达9.66毫米,证实它们属于巨大的单细胞生物,而非在其他大型硫细菌中常见的多细胞细丝。为了更详细地观察这些细丝和细胞膜,他还利用伯克利实验室现有的成像设施,如共聚焦激光扫描显微镜和透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)观察到新的含有DNA簇的膜包围区室。

为了识别和分类这种原核生物,安地列斯大学分子生物学副教授、该研究的共同第一作者Silvina Gonzalez-Rizzo对其进行了16S rRNA基因测序,发现其属于Thiomargarita属的细菌,因此将其命名为Ca. Thiomargarita magnifica

巨型细菌的基因组复杂性

Volland分析后发现,这些细菌含有比大多数细菌多三倍的基因,以及遍布整个细胞的数十万个基因组拷贝(多倍体)。Volland团队随后使用单细胞基因组学在分子水平上分析了五个细菌细胞,并对其基因组进行扩增、测序和组装。与此同时,通过使用了一种名为BONCAT的标记技术来确定参与蛋白制造活动的区域,他们发现并证实整个细菌细胞都处于活跃状态(图3)。

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图3 Ca细菌的亚细胞组织的基因组分析(图源:[1])

该论文共同通讯作者Shailesh Date说,“此项研究是一个很好的机会,证明复杂性也可存在于最简单的生物之中。未来我们有必要更详细地观察和研究这些生物的复杂性,因为这些非常简单的生物也有可能会带来一些惊喜。”

作者Sara Bender补充道,“这一突破性发现强调了支持基础性研究项目的重要性,只有这样我们才能对自然界更加了解。我们期待了解Ca. Thiomargarita magnifica的特征如何挑战当前构成细菌细胞的模式,并推动微生物研究的前进发展。”

题图来源:SciTechDaily,仅用于学术交流。

撰文|露娜

排版|文竞择

参考资料:

[1]Volland JM, Gonzalez-Rizzo S, Gros O, et al. A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science. 2022 Jun 24;376(6600):1453-1458. doi: 10.1126/science.abb3634. Epub 2022 Jun 23. PMID: 35737788.

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