1、第十一章第十一章 微生物的進化、系統(tǒng)發(fā)育和分類鑒定微生物的進化、系統(tǒng)發(fā)育和分類鑒定主要主要內容內容：11.1 緒論緒論v 地球大約是在45億年前形成的。地質學、古生物學和地球化學直接或間接證據都表明：v大約在地球形成10億年之后，我們這個星球開始出現生命，主要是些類似簡單桿狀細菌的原始生物。但在同期的、另外一些被認為是由光合微生物與沉積物形成的片層狀化石疊層石（stromatolites），它們類似于綠硫細菌和多細胞絲狀細菌，這些原始生命大概都是厭氧型的。v含有產氧型光合細菌藍細菌的層疊石則發(fā)現于25-30億年前的地質年代中，藍細菌的出現，給地球帶來了氧氣。而后，各種真核生物才隨之出現。v根據

2、現代生物進化論觀點 ：v所謂進化（evolution）是生物與其生存環(huán)境相互作用過程中，其遺傳系統(tǒng)隨時間發(fā)生一系列不可逆的改變，在大多數情況下，導致生物表型改變和對生存環(huán)境的相對適應。v系統(tǒng)發(fā)育（phylogeny）就指的是研究各類微生物進化的歷史。 科學家估計有分類紀錄的各類物種大約有150萬，其中微生物超過10萬種，而且其數目還在不斷增加。微生物學工作者要認識、研究和利用微生物或控制有害微生物，必須對它們進行分類（classification）。 v 對生物進行分類存在兩種基本的、截然不同的分類原則：v 一是根據表型(phenetic)特征的相似成都分群歸類，這種表型分類重在應用，不涉及生

3、物進化或不以反映生物親緣關系為目標；v二種分類原則是要按照生物系統(tǒng)發(fā)育相關性水平來分群歸類，其目標是探尋各種生物之間的進化關系，建立反映生物系統(tǒng)發(fā)育的分類系統(tǒng)。 因此，以進化論為指導思想的分類學(taxonomy)，其目的已經不僅僅是物種的識別和歸類，其主要目標是通過追溯系統(tǒng)發(fā)育，推斷進化譜系，這樣的分類學也稱之為生物系統(tǒng)學(syatematics)。 分子生物學的發(fā)展，使我們不僅可以根據表型特征，而且可以從分子水平上，通過研究和比較微生物乃至整個生物界的基因型特征來探討生物的進化、系統(tǒng)發(fā)育和進行分類鑒定。11.2 進化的測量指征進化的測量指征v 20世紀70年代以前，生物類群間的親緣關系主要

4、是根據形態(tài)結構、生理生化、行為習性等表型特征以及少量的化石資料來判斷它們之間的親緣關系。v直到6070年代，有識之士才清醒地認識到：僅依靠表型特征無法解決微生物的系統(tǒng)發(fā)育問題，必須尋找新的特征作為生物進化的指征。 v根據形態(tài)學特征推斷生物之間的親緣關系存在兩個突出問題：v一是由于微生物可利用的形態(tài)特征少，很難把所有生物放在同一水平上進行比較； v 二是形態(tài)特征在不同類群眾中進化速度差異很大，僅根據形態(tài)推斷進化關系往往不準確。 20世紀70年代以后研究為生物的系統(tǒng)發(fā)育，主要是分析和比較生物大分子的結構特征，特別是蛋白質、RNA和DNA這些反映生物基因組特征的分子序列，作為判斷各類微生物乃至所有生

5、物進化關系的主要特征。 v為了準確確定各種生物之間的進化關系，還必須挑選恰當的大分子來進行序列研究。在挑選大分子時應注意以下幾點：v 它必須普遍存在于所研究的各個生物類群中。如果我們所研究的是整個生命界的進化，那么所選擇的分子必須在所有生物中存在，這樣才便于分析和比較。 v 選擇在各種生物中功能同源的大分子。催化不同反應的酶的氨基酸序列或者具有不同功能核酸的核苷酸序列不能進行比較，因為功能不相關的分子也意味著進化過程中來源不同，對這一類不相關分子進行比較也不期望它們會表現出序列的相似性。v所以，大分子進化的研究必須從鑒定大分子的功能開始。 v 為了鑒定大分子序列的同源位置或同源區(qū)，要求所選擇的

6、分子序列必須能嚴格線性排列，以便進行進一步的分析比較。v 還應注意根據所比較的各類生物之間的進化距離來選擇適當的分子序列。 大量的實驗研究表明：在眾多的生物大分子中，最適合于揭示各類生物親緣關系的是rRNA,尤其是16SrRNA。16SrRNA所以被普遍公認是一把好的譜系分析的“分子尺”，這是因為：v rRNA參與生物蛋白質的合成過程，其功能是任何生物都必不可少的，而且在生物進化的漫長歷程中，其功能保持不變；v 在16SrRNA分子中，即含有高度保守的序列區(qū)域，又有中度保守和高度變化的序列區(qū)域，因而它適用于進化距離不同的各類生物親緣關系的研究；v 16SrRNA相對分子質量大小適中，便于序列分

7、析； v 16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中（真核生物中其同源分子是18SrRNA）。 rRNA的順序和進化的順序和進化 rRNA序列測定和分析方法分兩類：寡核苷酸編目法和全序列分析法。 1.寡核苷酸編目分析法寡核苷酸編目分析法 20世紀80年代以前的研究,主要是采用寡核苷酸編目分析法。2.全序列分析法全序列分析法v寡核苷酸編目分析法，只獲得了16SrRNA分子的大約30%的序列資料，加上采用的是一種簡單相似性的計算方法，所以其結果有可能出現誤差，應用上受到一定限制。v隨著核算序列分析技術的發(fā)展，20世紀80年代末又陸續(xù)發(fā)展了一些rRNA全序列分析方法，其中最常用的是直接序列分析法。

8、v這種方法用反轉錄酶和雙脫氧序列分析，可以對未經純化的rRNA抽提物進行直接的序列測定。 11.3 系統(tǒng)發(fā)育樹系統(tǒng)發(fā)育樹v 在研究生物進化和系統(tǒng)分類中，常用一種樹狀分枝的圖型來概括各種（類）生物之間的親緣關系，這 種 樹 狀 分 枝 的 圖 型 被 稱 為 系 統(tǒng) 發(fā) 育 樹（phylogenetic tree），簡稱系統(tǒng)樹。v通過比較生物大分子序列差異的數值構件的系統(tǒng)樹稱為分子系統(tǒng)樹。v圖型中，分枝的末端和分枝的連接點稱為結（node），代表生物類群，分枝末端的結代表仍生存的種類。v系統(tǒng)樹可能有時間比例，或者用兩個結之間的分枝長度變化來表示分子序列的差異數值。 三界生物的主要特征三界生物的主

9、要特征 根據形態(tài)和生理特征把地球上的生物分為動物界和植物界的理論，統(tǒng)治了生物學100多年，20世紀60年代主要根據細胞核的結構把生物分為原核生物和真核生物兩大類。1.生命中的第三種形式 將生物分成三界（Kingdom）（后來改稱三個域）： 古 細 菌 、 真 細 菌 （ E u b a c t e r i a ） 真 核 生 物（Eukaryotes）。 1990年，他為了避免把古細菌也看作是細菌的一類，又把三界（域）改稱為 Bacteria（細菌）、Archaea(古生菌)和Eukarya（真核生物），并構建了三界（域）生物的系統(tǒng)樹（圖12-3）。 2.三（界）域生物的主要特征 三界理論雖然

10、是根據16Sr RNA序列的比較提出的，但其他特征的比較研究結果也在一定程度上支持了三界生物的劃分。11.4 細菌分類細菌分類v 分類是認識客觀事物的一種基本方法。我們要認識、研究和利用各種微生物資源也必須對他們進行分類。v分類學內容涉及三個相互依存又有區(qū)別的組成部分：分類、命名和鑒定。 v分類（classification）是根據一定的原則（表型特征相似性或系統(tǒng)發(fā)育相關性）對微生物進行分群歸類，根據相似性或相關性水平排列成系統(tǒng)，并對各個分類群的特征進行描述，以便考察和對未被分類的微生物進行鑒定；v命名（nomenclature）是根據命名法規(guī)，給每一個分類群一個專有的名稱；v鑒定（ident

11、ification或determination）則是指借助于現有的微生物分類系統(tǒng)，通過特征測定，確定未知的、新發(fā)現的或未明確分類地位的微生物所應歸屬分類群的過程。 一一.分類單元及其等級分類單元及其等級界界Kingdom門門Phylum亞門亞門綱綱Class亞綱亞綱目目Order亞目亞目科科Family亞科亞科屬屬Genus種種Speciesv常用的細菌分類術語v培養(yǎng)物（culture),是指一定時間一定空間內微生物的細胞群或生長物。v菌株（strain)，從自然界分離得到的任何一種微生物的純培養(yǎng)物都可以稱為微生物的一個菌株；用實驗方法（如通過誘變）所獲得的某一菌株的變異型，也可以稱為一個新的

12、菌株，以便與原來的菌株相區(qū)別。 v 型（form或type),常指亞種以下的細分，當同種或同亞種不同菌株之間的性狀差異，不足以分為新的亞種時，可以細分為不同的型。v種（species),是生物分類中基本的分類單元和分類等級。二. 微生物的命名1.分類單元的命名 屬名 屬名用一個單數主格名詞或當作名詞用的形容詞來表示，可以是陽性、陰性或中性，首字母要大寫。 種名 和其他生物一樣，細菌的種名也用雙名法（binomial nomenclature）命名，即種的學名由屬名和種名加詞兩部分組合而成。 亞種名 亞種名為三元式組合，即由屬名、種名加詞和亞種名加詞構成。 2. 命名模式及其指定 如前所述，由于

13、細菌分類單元的劃分缺乏一個易于操作的統(tǒng)一標準，為了減少因采用不同標準界定分類單元所造成的混亂， 細菌系統(tǒng)分類也像其他生物分類一樣采用“模式概念”。即根據命名法規(guī)要求，正式命名的分類單元應指定一個命名模式（簡稱模式）作為該分類單元命名的依據。 3. 新名稱的發(fā)表 根據細菌命名法規(guī)的規(guī)定，有效發(fā)表新的細菌名稱應在公開發(fā)行的刊物上進行，在菌種目錄、會議記錄、會議論文摘要的均不能視為有效發(fā)表。此外，若新名稱是在國際系統(tǒng)細菌學雜志（IJSB）以外的其他雜志上發(fā)表的，還必須經過新名稱的合格化發(fā)表，被認為合格后，在該雜志上定期公布，命名日期即從公布之日算起，否則不算合格發(fā)表，也不能取得國際上的承認。發(fā)表新名

14、稱時，應在新名稱之后加上所屬新分類等級的縮寫詞，如新目“ord.nov.”、新屬“gen.nov.”、新種“sp.nov.”等。 三、細菌分類和伯杰氏手冊三、細菌分類和伯杰氏手冊20世紀世紀60年代以前，國際上不少細菌分年代以前，國際上不少細菌分類學家都曾對細菌進行過全面的分類，提出類學家都曾對細菌進行過全面的分類，提出過一些在當代有影響的細菌分類系統(tǒng)。但過一些在當代有影響的細菌分類系統(tǒng)。但70年代以后，對細菌進行全面分類的、影年代以后，對細菌進行全面分類的、影響最大的是響最大的是伯杰氏手冊伯杰氏手冊。所以該書目前。所以該書目前已成為對細菌進行分類鑒定的主要參考書。已成為對細菌進行分類鑒定的主

15、要參考書。11.5 微生物分類鑒定特征和技術微生物分類鑒定特征和技術v 鑒于微生物體形微小、結構較簡單等特點，微生物分類和鑒定除了像高等生物那樣，采用傳統(tǒng)的形態(tài)學、生理學和生態(tài)學特征之外，還必須尋找新的特征作為分類鑒定的依據。v在這方面微生物分類學家比動植物分類學家表現了更高的熱情，他們從不同層次（細胞的、分子的）、用不同學科（化學、物理學、遺傳學、免疫學、分子生物學等）的技術方法來研究和比較不同微生物的細胞、細胞組分或代謝產物，從中發(fā)現反映微生物類群特征的資料作為微生物分類鑒定的依據。 一、形態(tài)學和生理生化特征一、形態(tài)學和生理生化特征1形態(tài)學特征 v 形態(tài)學特征始終被用作微生物分類和鑒定的重

16、要依據之一，其中有兩個重要原因：v一是它易于觀察和比較，尤其是在真核微生物和具有特殊形態(tài)結構的細菌中；v 二是許多形態(tài)學特征依賴于多基因的表達，具有相對的穩(wěn)定性。因此，形態(tài)學特征不僅是微生物鑒定的重要依據，而且也往往是系統(tǒng)發(fā)育相關性的一個標志。常用于原核生物分類鑒定的形態(tài)學特征 2生理生化特征v 生理生化特征和微生物的酶和調節(jié)蛋白質的本質和活性直接相關，酶及蛋白質都是基因的產物。v所以，對微生物生理生化特征和比較也是對微生物基因組的間接比較，加上測定生理生化特征比直接分析基因組要容易得多。v因此生理生化特征對于微生物的系統(tǒng)分類仍然是有意義的。 二、血清學試驗與噬菌體分型二、血清學試驗與噬菌體分

17、型1血清學試驗v細菌細胞與病毒等都含有蛋白質、脂白蛋、脂多糖等有抗原性的物質，由于不同微生物抗原物質結構不同，賦予它們不同的抗原特征。v一種細菌的抗原除了可與它自身的抗體起特異性免疫反應外，若它與其它種類的細菌有共同的抗原組分，它們的抗原抗體之間就會發(fā)生交叉反應。 2.噬菌體分型v在原核生物中已普遍發(fā)現有響應種類的噬菌體.噬菌體對宿主的感染和列解作用具有高度的特異性,即一種噬菌體往往只能感染或裂解某種細菌,甚至只裂解種內的某些菌株.v所以,根據噬菌體的宿主范圍可將細菌分為不同的噬菌型和利用噬菌體裂解這樣的特異性進行細菌鑒定.v這對于追溯傳染病來源、流行病調查以及病原菌的檢測鑒定有重要意義. 三

18、、氨基酸的順序和蛋白質的分析三、氨基酸的順序和蛋白質的分析 v蛋白質是基因的產物,蛋白質的氨基酸順序直接反映mRNA順序而與編碼基因密切相關。v因此,可以通過對某些同源蛋白質氨基酸順序的比較來分析不同生物系統(tǒng)發(fā)育關系,序列相似性越高,其親緣關系愈近。v因此可以根據蛋白質的氨基酸序列資料構建系統(tǒng)發(fā)育樹和進行分類。四、核酸的堿基組成和分子雜交四、核酸的堿基組成和分子雜交 比較DNA和堿基組成和進行核酸分子雜交,是目前通過直接比較基因組進行生物分類最常用的兩種方法。1.DNA的堿基組成(G+C)% vDNA分子含有四種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶。DNA的堿基組成和排列順序決定生物的遺傳性

19、狀,所以DNA堿基組成是各種生物的一個穩(wěn)定特征.它不受年齡和突變因素以外的外界條件的影響,即使個別基因突變, 堿基組成也不會發(fā)生明顯變化。v分類學上,用G+C占全部堿基的物質的量百分數(G+C)%來表示各種生物的DNA堿基組成特征。v 每一種生物都有一定的堿基組成親緣關系近的生物,它們應該具有相似的G+C含量,若不同的生物之間G+C含量差別大表明它們關系遠。現有數據表明:v高等植物的G+C含量范圍大約35%50%之間;v原核生物中G+C含量變化幅度寬達22%80%;v脊椎動物G+C含量約35%45%之間;v原核生物中G+C含量變化幅可達22%80%v這也足以表明原核生物是一個極其多樣性的類群.

20、 v目前,雖然還沒有一個統(tǒng)一的界定各級分類單元的G+C含量標準,但大量資料表明:v同一個種內的不同菌株G+C含量差別應在4%5%以下;v同種不同屬的差別在10%15%,通常底于10%.v所以G+C含量已經作為建立新的微生物分類單元的一項基特征,它對于種、屬甚至科的鑒定有重要意義。v例如,80年代以前螺菌屬(Spirillum)不同的G+C含量高達38%66%,后來伯杰氏手冊(1984)結合其他特征已將其分為三個屬:螺藻屬、海洋螺菌屬(Oceanospirillum)和水螺菌屬(Aquaspirillum),它們的G+C含量分別為38%、42% 51%和49%66%;v過去根據形學特征曾認為球菌

21、(Micrococcus)與葡萄球菌屬(Staphylococcus)是關系很近的兩個屬,因而長期放在一個科里,由于G+C含量的差異表明它們的親緣關系相當遠,現在根據16SrDNA序列資料已進行新的調整。v然而,值得強調的是: G+C含量的分類學意義主要是作為建立新分類單元的一項基本特征和把那些G+C含量差別大的種類排除出某一分類單元。 v測定DNA堿基組成的方法很多,常用的是熱變性溫度法、浮力密度法和高效液相色普法。2核酸的分子雜交 生物的遺傳信息以（遺傳密碼）形式線性的排列在DNA分子中，不同DNA堿基排列順序的異同直接反映這些生物之間親緣關系的遠近，堿基排列順序差異越小，它們之間的親緣關

22、系越近，反之亦然。 核酸分子雜交在微生物分類鑒定中的應用包括：DNADNA雜交、DNArDNA雜交以及根據核酸雜交特異性原理制備核酸探針。(1) DNADNA雜交 親緣關系相對近的微生物之間的親緣比較(2) DNADNA雜交 親緣關系相對遠的微生物之間的親緣比較(3)核酸探針 利用特異性的探針，用于細菌等的快速鑒定3電子雜交 隨著微生物基因信息，特別是全基因組完全測序的不斷增加，我們可以通過各種計算機軟件對不同物種的遺傳信息進行直接比較，從而分析不同微生物間的親緣關系。小結小結一、微生物的分類單元 微生物的主要分類單位，依次為界 (kingdom) 、門（ phylum 或 division

23、）、綱 (class) 、目 (order) 、科 (fami1y) 、屬 (genus) 、種 (species) 。其中種是最基本的分類單位。具有完全或極多相同特點的有機體構成同種。性質相似、相互有關的各種組成屬。相近似的屆合并為科。近似的科合并為目。近似的目歸納為綱。綜合各綱成為門。由此構成一個完整的分類系統(tǒng)。二、微生物的命名 微生物的命名和其他生物一樣，都按國際命名法命名，即采用林奈氏 (Linnaeus) 所創(chuàng)立的“雙名法”。每一種微生物的學名都依屬與種而命名，由兩個拉丁字或希臘字或者拉丁化了的其他文字組成。屬名在前，規(guī)定用拉丁字名詞表示，字首字母要大寫，由微生物的構造、形狀，或由著

24、名的科學家名字而來，用以描述微生物的主要特征。種名在后，用拉丁字形容詞表示，字首字母小寫，為微生物的色素、形狀、來源、病名或著名的科學家姓名等，用以描述微生物的次要特征。此外，由于自然界的生物種類太多了，大家都在命名，為了更明確，避免誤解，故在正式的拉丁名稱后面附著命名者的姓。例如。金黃色葡萄球菌的學名為：Staphylococcus aureus Rosenbach 1884 三、微生物系統(tǒng)發(fā)育分析 由于現代分子生物學技術的迅速發(fā)展，正在形成一套與傳統(tǒng)的分類鑒定方法完全不同的分類鑒定技術與方法，從基因水平上分析各微生物種之間的親緣關系，即系統(tǒng)發(fā)育地位。眾所周知，原核生物細胞中的 16S rDNA 和真核生物細胞中的 18S rDNA 的堿基序列都是十分保守的，不受微生物所處環(huán)境條件的變化、營養(yǎng)物質的豐缺的影響而有所變化，都可以看作為生