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摘要趋磁细菌可以在细胞内通过生物矿化过程形成纳米级的、磁铁矿(Fe3O4)或胶黄铁矿(Fe3S4)成分的磁小体颗粒。磁小体在细胞内呈链状排列，趋磁细菌借助于磁小体链能够感知地磁场并沿磁场方向运动，以有效定位到其最适生存的微环境中。趋磁细菌分布广泛，在池塘、湖泊、沼泽、潮间带、海洋等水环境以及热泉、盐碱湖等极端环境中都有发现。已发现的趋磁细菌分属于变形菌门(Proteobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、浮霉菌门(Planctomycetes)、暂定分类单元Latescibacteria和Omnitrophica五个门类。趋磁细菌难以在实验室培养，目前对于环境趋磁细菌的研究主要集中在多样性、生态学和地理分布等方面，对于自然界趋磁细菌的生理代谢、生物矿化、起源演化等还知之甚少。近年来，随着测序技术和生物信息方法的迅猛发展，宏基因组学和单细胞基因组学方法在未培养趋磁细菌的研究中发挥了越来越重要的作用。然而，同一类群的微生物在不同环境或同一环境不同生理状态下可能具有不同的生理代谢策略，组学分析只能表征微生物可能具有的代谢潜力，对于特定环境中微生物生理代谢状态的解析亟需新的方法。<br>　　本论文建立了一套综合单细胞基因组技术和纳米二次离子质谱(NanoSMIS)技术的分析方法，并利用该方法系统研究了北京莲花池表层沉积物中的一类属于硝化螺旋菌门的趋磁杆菌(暂命名为LHC-1)的碳、氮等代谢特征。首先，利用单细胞显微操作从沉积物中分离趋磁细菌细胞样品;随后，通过全基因组扩增、测序、拼接和组装后获得了大小为4.08Mb、完整度为94.83％的LHC-1基因组草图。LHC-1基因组与CandidatusMagnetobacteriumcasensis基因组的平均氨基酸相似性(AverageAminoAcidIdentity,AAI)为91.27％，表明LHC-1与Ca.M.casensis是来自同一属的不同种。LHC-1的基因组中具有较完整的磁小体基因簇(magnetosomegenecluster,MGC)，包含mam，mad和man等共计23个磁小体合成相关的基因。基于基因组重建的LHC-1碳、氮代谢通路表明其可能通过Wood-Ljungdahl途径和反三羧酸循环(rTCA)固定二氧化碳，且基因组内具有完整的反硝化和异化硝酸盐还原成铵代谢通路。为了验证LHC-1的碳、氮代谢通路，在沉积物中加入Na15NO3和NaH13CO3进行原位标记培养，使用扫描电子显微镜和NanoSIMS分析了标记培养24小时内七个时间点、共计326个LHC-1细胞的大小和胞内碳、氮同位素含量的动态变化。同位素分析结果表明LHC-1细胞可以进行二氧化碳固定和硝酸盐还原，营化能无机自养生活方式，验证了基因组分析结果。细胞尺寸和胞内碳、氮同位素含量的变化趋势以及七个时间点间的差异表明细胞在24小时之内发生了两次分裂，且在细胞周期的不同阶段可能选择不同的代谢途径。<br>　　本论文利用单细胞基因组技术和同位素分析技术在单细胞水平上研究了硝化螺旋菌门趋磁杆菌LHC-1的碳、氮代谢特征。本论文建立了扫描电子显微镜观察、荧光原位杂交、NanoSIMS同位素分析的单细胞同视野检测技术，该技术可在单细胞水平上同时获取微生物形貌、系统发育地位以及生理代谢特征等信息，为复杂环境样本中微生物种类鉴定与生态功能解析提供了新策略。