微生物的分類(lèi)知識(shí)

1、第十章 微生物的分類(lèi)、鑒定及命名1、生物界的分類(lèi)地球上的物種估計(jì)大約有150萬(wàn)，其中微生物超過(guò)10萬(wàn)種，而且其數(shù)目還在不斷增加。在生物進(jìn)化歷史過(guò)程中演化形成生物種類(lèi)和種群的多樣性。生物分類(lèi)就是通過(guò)研究生物的系統(tǒng)發(fā)育及其進(jìn)化歷史，揭示各類(lèi)生物的多樣性及其系統(tǒng)關(guān)系，編制分類(lèi)系統(tǒng)，還原生物的自然歷史位置。高等動(dòng)植分類(lèi)化石資料、形態(tài)學(xué)、比較胚胎學(xué)較正確反映其系統(tǒng)發(fā)育微生物分類(lèi)的難題微生物分類(lèi)的難題：絕大部分微生物個(gè)體小、形態(tài)簡(jiǎn)單、易受環(huán)境影響而變異、缺少有性繁殖、缺乏化石資料。生物分類(lèi)的二種基本原則：生物分類(lèi)的二種基本原則：a）根據(jù)表型(phenetic)特征的相似程度分群歸類(lèi)，這種 表型分類(lèi)重在應(yīng)用

2、，不涉及生物進(jìn)化或不以反映生 物親緣關(guān)系為目標(biāo)；b）按照生物系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)性水平來(lái)分群歸類(lèi)，其目標(biāo) 是探尋各種生物之間的進(jìn)化關(guān)系，建立反映生物系 統(tǒng)發(fā)育的分類(lèi)系統(tǒng)。從兩界系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)三界系統(tǒng)、四界系統(tǒng)、五界系統(tǒng)甚至六界系統(tǒng)，最后又有了三原界（或三總界）系統(tǒng)。傳統(tǒng)的、為多數(shù)學(xué)者所接受的是1969年魏塔克（R.H.Whittaker）在Science上提出的五界學(xué)說(shuō)，它以縱向顯示從原核生物到真核單細(xì)胞生物再到真核多細(xì)胞生物的三大進(jìn)化過(guò)程。生物的界級(jí)分類(lèi)學(xué)說(shuō)生物的界級(jí)分類(lèi)學(xué)說(shuō)利用利用16SrRNA16SrRNA建立分子進(jìn)化樹(shù)的美國(guó)科學(xué)家建立分子進(jìn)化樹(shù)的美國(guó)科學(xué)家 Carl Woese Carl Woes

3、e 三域?qū)W說(shuō)的建立三域?qū)W說(shuō)的建立（1）古細(xì)菌原界（Archaebacteria) ，包括產(chǎn)甲烷細(xì)菌、極端嗜鹽菌和嗜熱嗜酸菌；（2）真細(xì)菌原界（Eubacteria) ，包括藍(lán)細(xì)菌和各種除古細(xì)菌以外的其它原核生物；（3）真核生物原界（Eucaryotes），包括原生生物、真菌、動(dòng)物和植物。 2、微生物分類(lèi)學(xué)、微生物分類(lèi)學(xué)經(jīng)典分類(lèi)學(xué)：按微生物表型分類(lèi)微生物系統(tǒng)學(xué)：按親緣關(guān)系和進(jìn)化規(guī)律分類(lèi)發(fā)展表型特征：形態(tài)學(xué)、生理生化學(xué)、生態(tài)學(xué)等，推斷微生物的系統(tǒng)發(fā)育。表型特征結(jié)合分子水平上比較微生物的基因型特征（如16S rRNA)探討微生物進(jìn)化、系統(tǒng)發(fā)育和分類(lèi)鑒定。微生物分類(lèi)學(xué)的三個(gè)任務(wù)：分類(lèi)、鑒定及命名微生物

4、分類(lèi)學(xué)的三個(gè)任務(wù)：分類(lèi)、鑒定及命名分類(lèi)是根據(jù)微生物的相似性和親緣關(guān)系，將微生物歸入不同的分類(lèi)是根據(jù)微生物的相似性和親緣關(guān)系，將微生物歸入不同的分類(lèi)類(lèi)群。分類(lèi)類(lèi)群。鑒定是確定一個(gè)新的分離物屬于已經(jīng)確認(rèn)的分類(lèi)單元的鑒定是確定一個(gè)新的分離物屬于已經(jīng)確認(rèn)的分類(lèi)單元的過(guò)程。過(guò)程。命名是根據(jù)國(guó)際命名法規(guī)給微生物分類(lèi)單元以科學(xué)的名命名是根據(jù)國(guó)際命名法規(guī)給微生物分類(lèi)單元以科學(xué)的名稱。稱。以啤酒酵母為例，它在分類(lèi)學(xué)上的地位是：以啤酒酵母為例，它在分類(lèi)學(xué)上的地位是： 界界(Kindom)(Kindom)：真菌界：真菌界 門(mén)門(mén)(Phyllum)(Phyllum)：真菌門(mén)：真菌門(mén) 綱綱(Class)(Class)：子

5、囊菌綱：子囊菌綱 目目(Order)(Order)：內(nèi)孢霉目：內(nèi)孢霉目 科科(Family)(Family)：內(nèi)孢霉科：內(nèi)孢霉科 屬屬(Genus)(Genus)：酵母屬：酵母屬 種種(Species)(Species)：啤酒酵母：啤酒酵母3 3、微生物的分類(lèi)單位、微生物的分類(lèi)單位界、門(mén)、綱、目、科、屬、種 種是最基本的分類(lèi)單位 每一分類(lèi)單位之后可有亞門(mén)、亞綱、亞目、亞科.種（species）：是一個(gè)基本分類(lèi)單位；是一大群表型特征高度相似、親緣關(guān)系極其接近，與同屬內(nèi)其他種有明顯差別的菌株的總稱。菌株（strain）: : 表示任何由一個(gè)獨(dú)立分離的單細(xì)胞繁殖而成的純種群體及其一切后代（起源于共同

6、祖先并保持祖先特性的一組純種后代菌群）。因此，一種微生物的不同來(lái)源的純培養(yǎng)物均可稱為該菌種的一個(gè)菌株。菌株強(qiáng)調(diào)的是遺傳型純的譜系。例如：大腸埃希氏桿菌的兩個(gè)菌株：例如：大腸埃希氏桿菌的兩個(gè)菌株：Escherichia coli B coli B 和和Escherichia coli K12Escherichia coli K12菌株的表示法：菌株的表示法：種是分類(lèi)學(xué)上的基本單位，菌株是實(shí)際上應(yīng)用的基本單位，種是分類(lèi)學(xué)上的基本單位，菌株是實(shí)際上應(yīng)用的基本單位，因?yàn)橥痪驗(yàn)橥痪N的不同菌株在產(chǎn)酶上種類(lèi)或代謝物產(chǎn)量上會(huì)有很大的不同和差別！種的不同菌株在產(chǎn)酶上種類(lèi)或代謝物產(chǎn)量上會(huì)有很大的不同和差別

7、！亞種亞種( (subspeciessubspecies）或變種）或變種(variety)(variety)：為種內(nèi)的再分類(lèi)。為種內(nèi)的再分類(lèi)。當(dāng)某一個(gè)種內(nèi)的不同菌株存在少數(shù)明顯而穩(wěn)定的變異特征或遺傳形當(dāng)某一個(gè)種內(nèi)的不同菌株存在少數(shù)明顯而穩(wěn)定的變異特征或遺傳形狀，而又不足以區(qū)分成新種時(shí)，可以將這些菌株細(xì)分成兩個(gè)或更多狀，而又不足以區(qū)分成新種時(shí)，可以將這些菌株細(xì)分成兩個(gè)或更多的小的分類(lèi)單元的小的分類(lèi)單元亞種。亞種。變種是亞種的同義詞，因變種是亞種的同義詞，因“變種變種”一詞易引起詞義上的混淆，從一詞易引起詞義上的混淆，從19761976年后，不在使用變種一詞。通常把實(shí)驗(yàn)室中所獲得的變異型菌年后，不

8、在使用變種一詞。通常把實(shí)驗(yàn)室中所獲得的變異型菌株，稱之為亞種。株，稱之為亞種。如：如：E.coli k12E.coli k12（野生型）是不需要特殊（野生型）是不需要特殊aaaa的，而實(shí)驗(yàn)室變異后，的，而實(shí)驗(yàn)室變異后，可從可從k12k12獲得某獲得某aaaa的缺陷型，此即稱為的缺陷型，此即稱為E.coli k12E.coli k12的亞種。的亞種。 型型( (form)form): :常指亞種以下的細(xì)分。當(dāng)同種或同亞種內(nèi)不同菌株之間的性狀差常指亞種以下的細(xì)分。當(dāng)同種或同亞種內(nèi)不同菌株之間的性狀差異不足以分為新的亞種時(shí)，可以細(xì)分為不同的型。異不足以分為新的亞種時(shí)，可以細(xì)分為不同的型。例如：按抗原

9、特征的差異分為不同的血清型；例如：按抗原特征的差異分為不同的血清型；學(xué)名是微生物的科學(xué)名稱，它是按照有關(guān)微生物分類(lèi)國(guó)際委員會(huì)擬定的法則命名的。學(xué)名由拉丁詞、或拉丁化的外來(lái)詞組成。學(xué)名的命名有雙名法和三名法兩種。雙名法： 學(xué)名=屬名+種名+（首次定名人）+現(xiàn)定名人+定名年份屬名：拉丁文的名詞或用作名詞的形容詞，單數(shù)，首字母大寫(xiě)，表示微生物的主要特征，由微生物構(gòu)造，形狀或由科學(xué)家命名。 種名：拉丁文形容詞，字首小寫(xiě)，為微生物次要特征， 如微生物色素、形狀、來(lái)源或科學(xué)家姓名等。4 4、微生物的命名、微生物的命名必要，用斜體表示可省略，用正體字微生物的名字有俗名和學(xué)名兩種。如： 紅色面包霉粗糙脈孢霉

10、綠膿桿菌銅綠假單胞菌例：大腸埃希氏桿菌 Escherichia coli （Migula）Castellani et Chalmers 1919 金黃色葡萄球菌 Staphylococcus aureus Rosenbach 1884當(dāng)泛指某一屬微生物，而不特指該屬中某一種（或未定種名）時(shí)，可在屬名后加sp.或ssp.（分別代表species 縮寫(xiě)的單數(shù)和復(fù)數(shù)形式）例如：Saccharomyces sp. 表示酵母菌屬中的一個(gè)種。菌株名稱在種名后面自行加上數(shù)字、地名或符號(hào)等，如： Bacillus subtilis AS1.389 AS=Academia Sinica Bacillus sub

11、tilis BF7658 BF=北紡 Clostridium acetobutylicum ATCC824 丙酮丁醇梭菌ATCCAmerican Type Culture Collection美國(guó)模式菌種保藏中心 當(dāng)文章中前面已出現(xiàn)過(guò)某學(xué)名時(shí)，后面的可將其屬名縮寫(xiě)成13個(gè)字母。 如：Escherichia coli 可縮寫(xiě)成 E.coli Staphylococcus aureus可縮寫(xiě)成 S. aureus三名法：用于對(duì)亞種的命名，這時(shí)在屬和種名后加寫(xiě)一個(gè)subsp.，然后再附上亞種名稱（斜排體）。 如： Bacillus thuringiensis subsp. galleria 蘇云金芽

12、孢桿菌臘螟亞種 形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、少量的化石資料、行為形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、少量的化石資料、行為習(xí)性，等等習(xí)性，等等表型特征：表型特征：5、 進(jìn)化指征的選擇:b）形態(tài)特征在不同類(lèi)群中進(jìn)化速度差異很大，僅根據(jù)形態(tài)推斷進(jìn)化關(guān)系往往不準(zhǔn)確；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：a）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(jìn)行比較；蛋白質(zhì)、RNA和DNA序列進(jìn)化變化的顯著特點(diǎn)是進(jìn)化速率相對(duì)恒定，也就是說(shuō)，分子序列進(jìn)化的改變量(氨基酸或核苷酸替換數(shù)或替換百分率)與分子進(jìn)化的時(shí)間成正比。生物大分子作為進(jìn)化標(biāo)尺依據(jù)a）在兩群生物中，如果同一種分子的序列差異很大時(shí)，-進(jìn)化距離遠(yuǎn)，進(jìn)化過(guò)程中很早就分支了。b）如果兩群生物

13、同一來(lái)源的大分子的序列基本相同，-處在同一進(jìn)化水平上。大量的資料表明：功能重要的大分子、或者大分子中功能重要的區(qū)域，比功能不重要的分子或分子區(qū)域進(jìn)化變化速度低。RNA作為進(jìn)化的指征16S rRNA被普遍公認(rèn)為是一把好的譜系分析的“分子尺”：1）rRNA具有重要且恒定的生理功能；2）在16SrRNA分子中，既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(jìn)化距離不同的各類(lèi)生物親緣關(guān)系的研究；3）16SrRNA分子量大小適中，便于序列分析；4）rRNA在細(xì)胞中含量大(約占細(xì)胞中RNA的90%)，也易于提?。?）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

14、子是18SrRNA)。因此它可以作為測(cè)量各類(lèi)生物進(jìn)化的工具。Eubacteria （真細(xì)菌界）Archaebacteria （古細(xì)菌界） Eukarya （真核生物界）Carl Woese利用16SrRNA建立分子進(jìn)化樹(shù)微生物（病毒）古生菌（Archaea）細(xì)菌（Bacteria）真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、單細(xì)胞藻類(lèi)、原生動(dòng)物等非細(xì)胞型細(xì)胞型原核微生物真核微生物（Eukarya）古生菌在進(jìn)化譜系上與真細(xì)菌及真核生物相互并列，且與后者關(guān)系更近，而其細(xì)胞構(gòu)造卻與真細(xì)菌較為接近，同屬于原核生物。6、微生物分類(lèi)鑒定的特征和技術(shù)形態(tài)學(xué)特征形態(tài)學(xué)特征、生理學(xué)特征、生理學(xué)特征、 生態(tài)學(xué)特征生態(tài)學(xué)特征6.1

15、 生物分類(lèi)的傳統(tǒng)指標(biāo)：形態(tài)學(xué)特征培養(yǎng)特征、運(yùn)動(dòng)性、特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞形態(tài)及其染色特性、等等微生物分類(lèi)和鑒定的重要依據(jù)之一：a）易于觀察和比較，尤其是真核微生物和具有特殊 形態(tài)結(jié)構(gòu)的細(xì)菌；b）許多形態(tài)學(xué)特征依賴于多基因的表達(dá)，具有相對(duì) 的穩(wěn)定性；生理生化特征與微生物的酶和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的本質(zhì)和活性直接相關(guān)；代謝產(chǎn)物等營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型；與氧的關(guān)系；對(duì)溫度的適應(yīng)性；對(duì)pH的適應(yīng)性；對(duì)滲透壓的適應(yīng)性；酶及蛋白質(zhì)都是基因產(chǎn)物；對(duì)微生物生理生化特征的比較也是對(duì)微生物基因組的間接比較；測(cè)定生理生化特征比直接分析基因組要容易得多；常借助特異性的血清學(xué)反應(yīng)來(lái)確定未知菌種、亞種或菌株。生態(tài)特性包括在自然界的分布情況，與其他

16、生物有否寄生或共生關(guān)系, 宿主種類(lèi)及與宿主關(guān)系, 有性生殖情況, 生活史等。血清學(xué)反應(yīng)6.2 核酸的堿基組成和分子雜交特點(diǎn)：與形態(tài)及生理生化特性的比較不同，對(duì)與形態(tài)及生理生化特性的比較不同，對(duì)DNADNA的堿基的堿基組成的比較和進(jìn)行核酸分子雜交是直接比較不同微組成的比較和進(jìn)行核酸分子雜交是直接比較不同微生物之間基因組的差異，因此結(jié)果更加可信。生物之間基因組的差異，因此結(jié)果更加可信。(1) DNA(1) DNA的堿基組成的堿基組成(G+Cmol%)(G+Cmol%)DNADNA堿基因組成是各種生物一個(gè)穩(wěn)定的特征，即使個(gè)別基因突堿基因組成是各種生物一個(gè)穩(wěn)定的特征，即使個(gè)別基因突變，堿基組成也不會(huì)發(fā)

17、生明顯變化。變，堿基組成也不會(huì)發(fā)生明顯變化。分類(lèi)學(xué)上，用分類(lèi)學(xué)上，用G+CG+C占全部堿基的克分子百分?jǐn)?shù)占全部堿基的克分子百分?jǐn)?shù)(G+Cmol%)(G+Cmol%)來(lái)來(lái)表示各類(lèi)生物的表示各類(lèi)生物的DNADNA堿基因組成特征。堿基因組成特征。每個(gè)生物種都有特定的每個(gè)生物種都有特定的GC%GC%范圍，因此后者可以作為分類(lèi)鑒范圍，因此后者可以作為分類(lèi)鑒定的指標(biāo)。細(xì)菌的定的指標(biāo)。細(xì)菌的GC%GC%范圍為范圍為25-75%25-75%，變化范圍最大，因此，變化范圍最大，因此更適合于細(xì)菌的分類(lèi)鑒定。更適合于細(xì)菌的分類(lèi)鑒定。GC%GC%測(cè)定主要用于對(duì)表型特征難區(qū)分的細(xì)菌作出鑒定，并可檢測(cè)定主要用于對(duì)表型特征

18、難區(qū)分的細(xì)菌作出鑒定，并可檢驗(yàn)表型特征分類(lèi)的合理性，從分子水平上判斷物種的親緣關(guān)系。驗(yàn)表型特征分類(lèi)的合理性，從分子水平上判斷物種的親緣關(guān)系。使用原則：G+C含量的比較主要用于分類(lèi)鑒定中的否定否定每一種生物都有一定的堿基組成，親緣關(guān)系近的生物，每一種生物都有一定的堿基組成，親緣關(guān)系近的生物，它們應(yīng)該具有相似的它們應(yīng)該具有相似的G+CG+C含量，若不同生物之間含量，若不同生物之間G+CG+C含含量差別大表明它們關(guān)系遠(yuǎn)。量差別大表明它們關(guān)系遠(yuǎn)。但具有相似但具有相似G+CG+C含量的生物并不一定表明它們之間具有含量的生物并不一定表明它們之間具有近的親緣關(guān)系。近的親緣關(guān)系。同一個(gè)種內(nèi)的不同菌株同一個(gè)種內(nèi)

19、的不同菌株G+CG+C含量差別應(yīng)在含量差別應(yīng)在4 45%5%以下；同屬不同以下；同屬不同種的差別應(yīng)低于種的差別應(yīng)低于101015%15%；G+CG+C含量已經(jīng)作為建立新的微生物分含量已經(jīng)作為建立新的微生物分類(lèi)單元的一項(xiàng)基本特征，它對(duì)于種、屬甚至科的分類(lèi)鑒定有重類(lèi)單元的一項(xiàng)基本特征，它對(duì)于種、屬甚至科的分類(lèi)鑒定有重要意義。要意義。若二個(gè)在形態(tài)及生理生化特性方面及其相似的菌株，如果若二個(gè)在形態(tài)及生理生化特性方面及其相似的菌株，如果其其G+CG+C含量的差別大于含量的差別大于5%5%，則肯定不是同一個(gè)種，大于，則肯定不是同一個(gè)種，大于15%15%則肯定不是同一個(gè)屬。則肯定不是同一個(gè)屬。在疑難菌株鑒定

20、、新種命名、建立一個(gè)新的分類(lèi)單位時(shí)，在疑難菌株鑒定、新種命名、建立一個(gè)新的分類(lèi)單位時(shí)，G+CG+C含量是一項(xiàng)重要的，必不可少的鑒定指標(biāo)。含量是一項(xiàng)重要的，必不可少的鑒定指標(biāo)。其分類(lèi)學(xué)意義主要是作為建立新分類(lèi)單元的一項(xiàng)基本特其分類(lèi)學(xué)意義主要是作為建立新分類(lèi)單元的一項(xiàng)基本特征和把那些征和把那些G+CG+C含量差別大的種類(lèi)排除出某一分類(lèi)單元。含量差別大的種類(lèi)排除出某一分類(lèi)單元。G+CG+C含量的比較主要用于分類(lèi)鑒定中的否定含量的比較主要用于分類(lèi)鑒定中的否定(2) 核酸的分子雜交核酸的分子雜交不同生物不同生物DNADNA堿基排列順序的異同直接反映生物之間親緣關(guān)系的堿基排列順序的異同直接反映生物之間親緣

21、關(guān)系的遠(yuǎn)近，堿基排列順序差異越小，它們之間的親緣關(guān)系就越近，反遠(yuǎn)近，堿基排列順序差異越小，它們之間的親緣關(guān)系就越近，反之亦然。之亦然。核酸分子雜交核酸分子雜交(hybridization)(hybridization)間接比較不同微生物間接比較不同微生物DNADNA堿堿基排列順序的相似性基排列順序的相似性a）DNA-DNADNA-DNA雜交；雜交；（親緣關(guān)系相對(duì)近的微生物之間的親緣關(guān)系比較）親緣關(guān)系相對(duì)近的微生物之間的親緣關(guān)系比較）b b）DNA-rRNADNA-rRNA雜交；雜交；（親緣關(guān)系相對(duì)遠(yuǎn)的微生物之間的親緣關(guān)系比較）（親緣關(guān)系相對(duì)遠(yuǎn)的微生物之間的親緣關(guān)系比較）c）核酸探針；核酸探針；（利用特異性的探針，用于細(xì)菌等的快速鑒定）利用特異性的探針，用于細(xì)菌等的快速鑒定）(3) 16SrRNA16SrRNA或或18SrRNA18SrRNA的核酸序列分析的核酸序列分析16SrRNA16SrRNA被普遍公認(rèn)為是一把好的譜系分析的被普遍公認(rèn)為是一把好的譜系分析的“分子尺分子尺”：16SrRN