微生物的分類知識學習教案

1、微生物的分類微生物的分類(fn li)知識知識第一頁，共29頁。地球(dqi)上的物種估計大約有150萬，其中微生物超過10萬種，而且其數(shù)目還在不斷增加。在生物(shngw)進化歷史過程中演化形成生物(shngw)種類和種群的多樣性。生物分類就是通過研究生物的系統(tǒng)發(fā)育及其進化歷史，揭示各類生物的多樣性及其系統(tǒng)關系，編制分類系統(tǒng)，還原生物的自然歷史位置。高等動植分類化石資料、形態(tài)學、比較胚胎學較正確反映其系統(tǒng)發(fā)育第1頁/共29頁第二頁，共29頁。微生物分類微生物分類(fn li)的的難題：難題：絕大部分微生物個體(gt)小、形態(tài)簡單、易受環(huán)境影響而變異、缺少有性繁殖、缺乏化石資料。生物分類生物分

2、類(fn li)的二種基本原則：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，這種 表型分類重在應用，不涉及生物進化或不以反映生 物親緣關系為目標；b）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)。第2頁/共29頁第三頁，共29頁。從兩界系統(tǒng)經(jīng)歷過三界系統(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)學者所接受的是1969年魏塔克（R.H.Whittaker）在Science上提出的五界學說，它以縱向顯示從原核(yun h)生物到真核單細胞生物再到真核多細胞生物的三大進

3、化過程。生物生物(shngw)的界級分類學說的界級分類學說第3頁/共29頁第四頁，共29頁。利用利用16SrRNA16SrRNA建立建立(jinl)(jinl)分子進化樹的美國科學家分子進化樹的美國科學家 Carl Woese Carl Woese 三域?qū)W說三域?qū)W說(xu (xu shu)shu)的建立的建立第4頁/共29頁第五頁，共29頁。（1）古細菌原界（Archaebacteria) ，包括產(chǎn)甲烷細菌、極端嗜鹽菌和嗜熱嗜酸菌；（2）真細菌原界（Eubacteria) ，包括藍細菌和各種除古細菌以外的其它原核生物；（3）真核生物原界（Eucaryotes），包括原生(yun shn)生物、

4、真菌、動物和植物。 第5頁/共29頁第六頁，共29頁。2、微生物分類學、微生物分類學經(jīng)典(jngdin)分類學：按微生物表型分類微生物系統(tǒng)學：按親緣(qn yun)關系和進化規(guī)律分類發(fā)展(fzhn)表型特征：形態(tài)學、生理生化學、生態(tài)學等，推斷微生物的系統(tǒng)發(fā)育。表型特征結合分子水平上比較微生物的基因型特征（如16S rRNA)探討微生物進化、系統(tǒng)發(fā)育和分類鑒定。微生物分類學的三個任務：分類、鑒定及命名微生物分類學的三個任務：分類、鑒定及命名分類是根據(jù)微生物的相似性和親緣關系，將微生物歸入不同的分類類群。分類是根據(jù)微生物的相似性和親緣關系，將微生物歸入不同的分類類群。鑒定是確定一個新的分離物屬于已

5、經(jīng)確認的分類單元的鑒定是確定一個新的分離物屬于已經(jīng)確認的分類單元的過程。過程。命名是根據(jù)國際命名法規(guī)給微生物分類單元以科學的名命名是根據(jù)國際命名法規(guī)給微生物分類單元以科學的名稱。稱。第6頁/共29頁第七頁，共29頁。以啤酒酵母為例，它在分類學上的地位是：以啤酒酵母為例，它在分類學上的地位是： 界界(Kindom)(Kindom)：真菌：真菌(zhnjn)(zhnjn)界界 門門(Phyllum)(Phyllum)：真菌：真菌(zhnjn)(zhnjn)門門 綱綱(Class)(Class)：子囊菌綱：子囊菌綱 目目(Order)(Order)：內(nèi)孢霉目：內(nèi)孢霉目 科科(Family)(Fami

6、ly)：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、微生物的分類單位、微生物的分類單位界、門、綱、目、科、屬、種 種是最基本的分類單位 每一分類單位之后(zhhu)可有亞門、亞綱、亞目、亞科.第7頁/共29頁第八頁，共29頁。種（species）：是一個基本分類單位；是一大群表型特征高度相似(xin s)、親緣關系極其接近，與同屬內(nèi)其他種有明顯差別的菌株的總稱。菌株（strain）: 表示任何由一個獨立分離的單細胞繁殖而成的純種群體及其一切后代（起源于共同祖先并保持祖先特性的一組純種后代菌群）。因此，

7、一種微生物的不同來源的純培養(yǎng)物均可稱為(chn wi)該菌種的一個菌株。菌株強調(diào)的是遺傳型純的譜系。例如：大腸埃希氏桿菌的兩個菌株：例如：大腸埃希氏桿菌的兩個菌株：Escherichia coli B Escherichia coli B 和和Escherichia coli K12Escherichia coli K12菌株的表示法：菌株的表示法：種是分類學上的基本單位種是分類學上的基本單位(dnwi)(dnwi)，菌株是實際上應用的基，菌株是實際上應用的基本單位本單位(dnwi)(dnwi)，因為同一菌種的不同菌株在產(chǎn)酶上種類或代，因為同一菌種的不同菌株在產(chǎn)酶上種類或代謝物產(chǎn)量上會有很大的

8、不同和差別！謝物產(chǎn)量上會有很大的不同和差別！第8頁/共29頁第九頁，共29頁。亞種亞種(subspecies(subspecies）或變種）或變種(variety)(variety)：為種內(nèi)的再分類。為種內(nèi)的再分類。當某一個種內(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當某一個種內(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(ychun)(ychun)形狀，而又不足以區(qū)分成新種時，可以將這些菌株細分成形狀，而又不足以區(qū)分成新種時，可以將這些菌株細分成兩個或更多的小的分類單元兩個或更多的小的分類單元亞種。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

9、詞易引起詞義上的混淆，從19761976年后，不在使用變種一詞。通常把實驗室中所獲得的變異型菌株，稱年后，不在使用變種一詞。通常把實驗室中所獲得的變異型菌株，稱之為亞種。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，而實驗室變異后，可的，而實驗室變異后，可從從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):常指亞種以下的細分。當同種或同亞種內(nèi)不同菌株之間的性狀差異常指亞種以下的細分。當同種或同亞種內(nèi)不同菌株之間的性狀差

10、異(chy)(chy)不足以分為新的亞種時，可以細分為不同的型。不足以分為新的亞種時，可以細分為不同的型。例如：按抗原特征的差異例如：按抗原特征的差異(chy)(chy)分為不同的血清型；分為不同的血清型；第9頁/共29頁第十頁，共29頁。學名是微生物的科學名稱，它是按照有關微生物分類國際委員會擬定的法則命名的。學名由拉丁詞、或拉丁化的外來詞組成。學名的命名有雙名(shun mn)法和三名法兩種。雙名(shun mn)法： 學名=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，表示微生物的主要特征，由微生物構造，形狀或由科學家命名(mng

11、mng)。 種名：拉丁文形容詞，字首小寫，為微生物次要特征， 如微生物色素、形狀、來源或科學家姓名等。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名兩種。如： 紅色面包霉粗糙脈孢霉 綠膿桿菌銅綠假單胞菌第10頁/共29頁第十一頁，共29頁。例：大腸埃希氏桿菌(gnjn) Escherichia coli （Migula）Castellani et Chalmers 1919 金黃色葡萄球菌 Staphylococcus aureus Rosenbach 1884當泛指某一屬微生物，而不特指該屬中某一種(y zhn)（或未定種名）時，可在屬名后加sp.或ssp.（分別代表species

12、 縮寫的單數(shù)和復數(shù)形式）例如：Saccharomyces sp. 表示酵母菌屬中的一個種。第11頁/共29頁第十二頁，共29頁。菌株名稱在種名后面自行加上數(shù)字、地名或符號等，如： Bacillus subtilis AS1.389 AS=Academia Sinica Bacillus subtilis BF7658 BF=北紡 Clostridium acetobutylicum ATCC824 丙酮丁醇梭菌ATCCAmerican Type Culture Collection美國模式菌種保藏中心 當文章中前面已出現(xiàn)過某學名時，后面的可將其屬名縮寫成13個字母。 如：Escherichia

13、 coli 可縮寫成 E.coli Staphylococcus aureus可縮寫成 S. aureus三名法：用于對亞種的命名，這時在屬和種名后加寫一個(y )subsp.，然后再附上亞種名稱（斜排體）。 如： Bacillus thuringiensis subsp. galleria 蘇云金芽孢桿菌臘螟亞種 第12頁/共29頁第十三頁，共29頁。形態(tài)結構、生理生化、少量的化石資料、行為形態(tài)結構、生理生化、少量的化石資料、行為(xngwi)(xngwi)習性，等等習性，等等表型特征表型特征(tzhn(tzhng)g)：5、 進化(jnhu)指征的選擇:b）形態(tài)特征在不同類群中進化速度差異

14、很大，僅根據(jù)形態(tài)推斷進化關系往往不準確；缺點缺點：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行比較；第13頁/共29頁第十四頁，共29頁。蛋白質(zhì)、RNA和DNA序列進化變化的顯著特點是進化速率相對恒定，也就是說，分子(fnz)序列進化的改變量(氨基酸或核苷酸替換數(shù)或替換百分率)與分子(fnz)進化的時間成正比。生物(shngw)大分子作為進化標尺依據(jù)a）在兩群生物中，如果同一種(y zhn)分子的序列差異很大時，-進化距離遠，進化過程中很早就分支了。b）如果兩群生物同一來源的大分子的序列基本相同，-處在同一進化水平上。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

15、的區(qū)域，比功能不重要的分子或分子區(qū)域進化變化速度低。第14頁/共29頁第十五頁，共29頁。RNA作為(zuwi)進化的指征16S rRNA被普遍公認為是一把好的譜系分析(fnx)的“分子尺”：1）rRNA具有(jyu)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，因而它適用于進化距離不同的各類生物親緣關系的研究；3）16SrRNA分子量大小適中，便于序列分析；4）rRNA在細胞中含量大(約占細胞中RNA的90%)，也易于提??；5）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)。因此它可以作為測

16、量各類生物進化的工具。第15頁/共29頁第十六頁，共29頁。Eubacteria （真細菌界）Archaebacteria （古細菌界） Eukarya （真核生物界）Carl Woese利用16SrRNA建立(jinl)分子進化樹第16頁/共29頁第十七頁，共29頁。微生物（病毒(bngd)）古生菌（Archaea）細菌(xjn)（Bacteria）真菌（酵母、霉菌(mjn)、蕈菌等）、單細胞藻類、原生動物等非細胞型細胞型原核微生物真核微生物（Eukarya）古生菌在進化譜系上與真細菌及真核生物相互并列，且與后者關系更近，而其細胞構造卻與真細菌較為接近，同屬于原核生物。第17頁/共29頁第十

17、八頁，共29頁。6、微生物分類鑒定的特征(tzhng)和技術形態(tài)學特征形態(tài)學特征(tzhng)、生理學特征生理學特征(tzhng)、生態(tài)學特征生態(tài)學特征6.1 生物分類的傳統(tǒng)指標：形態(tài)學特征培養(yǎng)特征、運動性、特殊的細胞結構、細胞形態(tài)及其染色特性、等等微生物分類和鑒定的重要依據(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)結構的細菌；b）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；第18頁/共29頁第十九頁，共29頁。生理生化(shn hu)特征與微生物的酶和調(diào)節(jié)(tioji)蛋白質(zhì)的本質(zhì)和活性直接相關；代謝(dixi)產(chǎn)物等營養(yǎng)類型；與氧的關系；對溫度的適應性；對pH的適

18、應性；對滲透壓的適應性；酶及蛋白質(zhì)都是基因產(chǎn)物；對微生物生理生化特征的比較也是對微生物基因組的間接比較；測定生理生化特征比直接分析基因組要容易得多；第19頁/共29頁第二十頁，共29頁。常借助(jizh)特異性的血清學反應來確定未知菌種、亞種或菌株。生態(tài)(shngti)特性包括在自然界的分布情況，與其他生物有否寄生或共生關系(gun x), 宿主種類及與宿主關系(gun x), 有性生殖情況, 生活史等。血清學反應第20頁/共29頁第二十一頁，共29頁。6.2 核酸(h sun)的堿基組成和分子雜交特點(tdin)：與形態(tài)及生理生化特性的比較不同，對與形態(tài)及生理生化特性的比較不同，對DNADN

19、A的堿基的堿基組成的比較和進行核酸分子組成的比較和進行核酸分子(fnz)(fnz)雜交是直接比較不同微雜交是直接比較不同微生物之間基因組的差異，因此結果更加可信。生物之間基因組的差異，因此結果更加可信。(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穩(wěn)定的特征，即使個別基因突變，堿基因組成是各種生物一個穩(wěn)定的特征，即使個別基因突變，堿基組成也不會發(fā)生明顯變化。堿基組成也不會發(fā)生明顯變化。分類學上，用分類學上，用G+CG+C占全部堿基的克分子百分數(shù)占全部堿基的克分子百分數(shù)(G+Cmol%)(G+Cmol%)來表示各來表示各類

20、生物的類生物的DNADNA堿基因組成特征。堿基因組成特征。第21頁/共29頁第二十二頁，共29頁。每個生物種都有特定的GC%范圍，因此后者可以(ky)作為分類鑒定的指標。細菌的GC%范圍為25-75%，變化范圍最大，因此更適合于細菌的分類鑒定。第22頁/共29頁第二十三頁，共29頁。GC%測定主要用于對表型特征難區(qū)分的細菌(xjn)作出鑒定，并可檢驗表型特征分類的合理性，從分子水平上判斷物種的親緣關系。使用(shyng)原則：G+C含量的比較主要用于分類(fn li)鑒定中的否定每一種生物都有一定的堿基組成，親緣關系近的生物，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它

21、們應該具有相似的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系遠。量差別大表明它們關系遠。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近的含量的生物并不一定表明它們之間具有近的親緣關系。親緣關系。第23頁/共29頁第二十四頁，共29頁。同一個種內(nèi)的不同菌株同一個種內(nèi)的不同菌株G+CG+C含量差別應在含量差別應在4 45%5%以下；同屬不同種的差以下；同屬不同種的差別應低于別應低于101015%15%；G+CG+C含量已經(jīng)含量已經(jīng)(y jing)(y jing)作為建立新的微生物分類作為建立新的微生物分類單元的一項基本特征，它對于種

22、、屬甚至科的分類鑒定有重要意義。單元的一項基本特征，它對于種、屬甚至科的分類鑒定有重要意義。若二個在形態(tài)及生理生化特性方面及其相似的菌株，如若二個在形態(tài)及生理生化特性方面及其相似的菌株，如果其果其G+CG+C含量含量(hnling)(hnling)的差別大于的差別大于5%5%，則肯定不是同，則肯定不是同一個種，大于一個種，大于15%15%則肯定不是同一個屬。則肯定不是同一個屬。在疑難菌株鑒定、新種命名、建立一個新的分類單位時，在疑難菌株鑒定、新種命名、建立一個新的分類單位時，G+CG+C含量是一項重要含量是一項重要(zhngyo)(zhngyo)的，必不可少的鑒定指標。的，必不可少的鑒定指標。

23、其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其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些G+CG+C含量差別大的種類排除出某一分類單元。含量差別大的種類排除出某一分類單元。G+CG+C含量的比較主要用于分類鑒定中的否定含量的比較主要用于分類鑒定中的否定第24頁/共29頁第二十五頁，共29頁。(2) 核酸的分子(fnz)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堿基排列順序的異同直接反映生物之間親緣(qn yun)(qn yun)關系的遠近，堿基排列順序差異越小，它們之間的親緣關系的遠近，堿基排列順序差異越小，它們之間的親緣(qn yun)

24、(qn yun)關關系就越近，反之亦然。系就越近，反之亦然。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堿基排列堿基排列(pili)(pili)順序的相似性順序的相似性a）DNA-DNADNA-DNA雜交；雜交；（親緣關系相對近的微生物之間的親緣關系比較）親緣關系相對近的微生物之間的親緣關系比較）b b）DNA-rRNADNA-rRNA雜交；雜交；（親緣關系相對遠的微生物之間的親緣關系比較）（親緣關系相對遠的微生物之間的親緣關系比較）c）核酸探針；核酸探針；（利用特異性的探針，用于細菌等的快速鑒定）利用特異性的探針，用于細菌等的快速鑒定）第25頁/共29頁第二十六頁，共29頁。(3) 16SrRNA或18SrRNA的核酸序列(xli)分析16SrRNA16SrRNA被普遍公認被普遍公認(gngrn)(gngrn)為是一把好的譜系分析的為是一把好的譜系分析的“分子尺分子尺”：16SrRNA16SrRNA的序列高度保守的序列高度保守(boshu)(boshu)，可精確指示細菌之間的親緣關系，可精確指示細菌之間的親緣關系16SrRNA16SrRNA的大小為的大小為1500bp1500bp左右，所含信息能反映