古生菌多樣性

第十三章微生物物種的多樣性第二節(jié)古生菌的多樣性知識(shí)點(diǎn)回顧現(xiàn)代生物進(jìn)化的測(cè)量指征—分子尺，rRNA系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)和分子系統(tǒng)樹(shù)三界（域）生物的系統(tǒng)樹(shù)真細(xì)菌的12個(gè)獨(dú)特類群本次課程講授的知識(shí)點(diǎn)古生菌的分類歷程（分類地位）古生菌的系統(tǒng)發(fā)育總觀（概述）古生菌的多樣性（物種分類）（重點(diǎn)、難點(diǎn)）古生菌的培養(yǎng)古生菌的研究意義和應(yīng)用發(fā)展前景引言現(xiàn)在地球已經(jīng)走過(guò)了46億個(gè)春秋，地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)和地球化學(xué)直接或間接證據(jù)都表明：大約在地球形成10億年之后，我們這個(gè)星球開(kāi)始出現(xiàn)生命。現(xiàn)在估計(jì)有分類紀(jì)錄的各類物種大約有150萬(wàn)種。其中微生物超過(guò)了10萬(wàn)種，這也僅僅是保守估計(jì)，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的微生物還有成千上萬(wàn)種。由于微生物的獨(dú)特性質(zhì)使其不像動(dòng)植物一樣可以宏觀觀察、鑒定，所以大量微生物仍然無(wú)名無(wú)姓的生活在各種環(huán)境中。隨著時(shí)代的不同，地球上的物種也幾經(jīng)變化。但是其中有一類生物幾乎沒(méi)有發(fā)生任何改變，那就是古生菌，也即古細(xì)菌。一、古生菌的分類歷程自從發(fā)現(xiàn)古生菌那一天開(kāi)始，古生菌定位的爭(zhēng)論就一直沒(méi)有停止過(guò)。但是細(xì)菌這個(gè)名詞出現(xiàn)的很晚，而古生菌這個(gè)稱呼就更晚了，它直到1990年才被提出來(lái)。

20世紀(jì)60年代末以前主要根據(jù)細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)把生物分為原核生物和真核兩大類。由于古生菌沒(méi)有真正的細(xì)胞核，所以科學(xué)家“理所當(dāng)然”的把“古生菌”作為細(xì)菌的一類歸屬于原核生物。

近代有人提出諸如：三、四、五或者六界的生物分類系統(tǒng)，雖分類有些不同，但是分類的基本依據(jù)卻是一樣的，即以生物整體及細(xì)胞形態(tài)學(xué)特征和某些生理特征作為推斷生物親緣關(guān)系的指征。按無(wú)細(xì)胞階段→原核階段→真核階段。共設(shè)三總界下設(shè)五界：

（一）非細(xì)胞總界（SuperkingdomAcytonia）（二）原核總界（SuperkingdomProcaryota）1．細(xì)菌界（KingdomMycomonera）2．藍(lán)藻界（KingdomPhycomocera）（三）真核總界（SuperkingdomEucaryota）3．植物界（KingdonPlantae）4．真菌界（KingdomFungi）5．動(dòng)物界（KingdomAnimalia）在這個(gè)廣被人們認(rèn)可的五界分類系統(tǒng)中，仍認(rèn)為古生菌是細(xì)菌的進(jìn)化過(guò)程中一種形式，并未引起人們的注意，可能正因?yàn)檫@樣，這類微生物才被命名為"古細(xì)菌",直至找到了新的特征作為生物進(jìn)化的指征，古生菌才算被驗(yàn)明正身，穩(wěn)穩(wěn)的坐上了生物進(jìn)化的"第三把交椅"。人們發(fā)現(xiàn)分子序列進(jìn)化的改變量（氨基酸或核苷酸替換的百分率）與分子進(jìn)化的時(shí)間成正比。為了遵循分子時(shí)鐘的選取原則，最終人們找到了16SrRNA，人們稱之為"分子尺"。rRNA序列測(cè)定和分析方法分為兩大類：寡核苷酸編目法和全序列分析法。

1977年CarlWoese&GeorgeFox運(yùn)用現(xiàn)代的鑒定方法發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷細(xì)菌完全沒(méi)有作為細(xì)菌特征的那些序列,因此提出了生命的第三種形式——古細(xì)菌（Archaeobacteria），在廣泛鑒定上，提出了三界學(xué)說(shuō)（不同于陳世驤的三總界學(xué)說(shuō)）：古細(xì)菌、真細(xì)菌、真核生物。后來(lái)發(fā)展為代表當(dāng)前人們認(rèn)識(shí)水平的八界系統(tǒng)（Cavalier--Smith，1988--1989）八界系統(tǒng)EmpireBacteria（細(xì)菌總界）

1．KingdomEubacteria

（真細(xì)菌界）

2．KingdomArchaebacteria（古細(xì)菌界）

EmpireEukaryota（真核總界）

3．KingdomArchezoa

（古菌界？）

4．KingdomProtozoa（原生動(dòng)物界）

5．KingdomPlantae

（植物界）

6．KingdomAnimalia

（動(dòng)物界）

7．KingdomFungi（真菌界）

8．KingdomChromista

（藻界）1990年Woese為了避免把古細(xì)菌始終看作細(xì)菌一類，把三界改為Bacteria（細(xì)菌）、Archaea（古生菌）和Eukarya（真核生物），并首次提出了一個(gè)涵蓋整個(gè)生命界的系統(tǒng)樹(shù)。全生命系統(tǒng)樹(shù)（Olsen和Woese1993）真細(xì)菌和古生菌的區(qū)別:雖然古生菌在顯微鏡下有著和真細(xì)菌幾乎相似的形態(tài)，同時(shí)也沒(méi)有真正的細(xì)胞核，因此早期人們把它作為細(xì)菌的一種。其形態(tài)與真細(xì)菌很相似，但這是兩個(gè)絕不相同的生物類群。現(xiàn)以其細(xì)胞壁的組成的異同為例說(shuō)明這一點(diǎn)。為何要把古生菌作為獨(dú)立的分類單位？真細(xì)菌的細(xì)胞壁（1）G﹢細(xì)胞壁厚度大（20-80nm），化學(xué)組分簡(jiǎn)單：90%肽聚糖、10%磷壁酸。其肽聚糖層為由N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺構(gòu)成的二糖重復(fù)單元及肽尾肽橋構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其四肽尾由L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala構(gòu)成；磷壁酸分為兩種一種為與肽聚糖分子進(jìn)行共價(jià)結(jié)合，含量隨培養(yǎng)基發(fā)生變化的壁磷壁酸，一種為跨越肽聚糖層并與細(xì)胞膜共價(jià)交聯(lián)的膜磷壁酸。構(gòu)成主要為甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸。

真細(xì)菌分為革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌（2）G-中肽聚糖層在外膜層內(nèi)，厚度僅有2-3nm，占細(xì)胞總重的10%。對(duì)機(jī)械強(qiáng)度抵抗力較G﹢弱。單位結(jié)構(gòu)和G﹢基本相同，僅沒(méi)有特殊肽橋，而且肽尾上第三個(gè)氨基酸由內(nèi)消旋二氨基庚二酸代替。G-有重要的外壁層，由脂多糖、磷脂、脂蛋白等構(gòu)成。脂多糖（細(xì)胞壁最外面，厚度8-10nm）由類脂A、核心多糖、O-特異側(cè)鏈組成。

肽聚糖外膜外膜蛋白周質(zhì)空間真細(xì)菌的細(xì)胞壁功能

⑴固定細(xì)胞外形和提高機(jī)械強(qiáng)度，從而使其免受滲透壓等外力的損傷。⑵為細(xì)胞的生長(zhǎng)、分裂、鞭毛運(yùn)動(dòng)所必需。⑶阻攔酶蛋白和某些抗生素等大分子物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，保護(hù)細(xì)胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等物質(zhì)的損傷。⑷賦予細(xì)菌具有特定的抗原性、致病性以及對(duì)抗生素和噬菌體的敏感性。古生菌的細(xì)胞壁古生菌中除了熱原體屬?zèng)]有細(xì)胞壁外，其余都具有與真細(xì)菌類似功能的細(xì)胞壁，但是其化學(xué)成分相差極大。一些研究過(guò)的古生菌表明，其細(xì)胞壁中沒(méi)有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白質(zhì)構(gòu)成的。多糖--假肽聚糖（以甲烷桿菌屬為例）是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔羅糖胺糖醛酸以β-1,3糖苷鍵（不被溶菌酶溶解）交替連接形成，連在后一氨基糖上的肽尾由L-Glu、L-Ala和L-Lys三個(gè)L型氨基酸組成，肽橋則由L-Glu一個(gè)氨基酸組成。糖蛋白（以鹽桿菌屬為例）包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白則由大量酸性氨基酸組成。這種帶強(qiáng)負(fù)電荷的細(xì)胞壁可平衡環(huán)境中高濃度的Na+，從而使其能很好的生活在20%-25%高鹽溶液中。近20年來(lái)古生菌的細(xì)胞脂膜越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界的重視。研究發(fā)現(xiàn)雖然它本質(zhì)上也是由磷脂組成，但是它比真細(xì)菌或真核生物的細(xì)胞脂膜更明顯的具有多樣性。獨(dú)特的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)親水頭（甘油）與疏水尾（烴鏈）間是通過(guò)醚鍵而不是通過(guò)脂鍵連接。組成疏水尾的長(zhǎng)鏈烴是異戊二烯的重復(fù)單位，它與親水頭通過(guò)醚鍵連接成甘油二醚或二甘油四醚等。而在真細(xì)菌或真核生物中的疏水尾為脂肪酸古生菌的細(xì)胞脂膜中存在著獨(dú)特的單分子層膜或單雙分子層混合膜，而真細(xì)菌或真核生物的細(xì)胞脂膜都是雙分子層。單分子層膜存在于嗜高溫的古生菌中，其原因可能是這種膜的機(jī)械強(qiáng)度要比雙分子層脂膜更高。在甘油的3C分子上，可連接多種與真細(xì)菌和真核生物細(xì)胞脂膜上不同的基團(tuán)，如磷酸脂基、硫酸脂基以及多種糖基。細(xì)胞脂膜上含有多種獨(dú)特脂類。其實(shí)在細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝上，古生菌在許多方面還是接近其他原核生物，然而在基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程上，它并不明顯表現(xiàn)出細(xì)菌的特征，反而非常接近真核生物。比如古生菌的轉(zhuǎn)譯使用真核的啟動(dòng)和延伸因子，且轉(zhuǎn)譯過(guò)程需要真核生物中的TATA框結(jié)合蛋白和TFIIB。因此將其作為獨(dú)立的分類單位。二、古生菌系統(tǒng)發(fā)育總觀直到20世紀(jì)70年代后，由于細(xì)胞化學(xué)組分分析和分子生物學(xué)方法的建立，特別是16SrRNA序列分析方法的不斷完善，才對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌、嗜熱細(xì)菌、嗜鹽細(xì)菌等極端環(huán)境微生物的研究逐步深入，人們終于對(duì)古生菌的系統(tǒng)發(fā)育有了了解和認(rèn)識(shí)。并根據(jù)現(xiàn)代的生物鑒定方法——16SrRNA序列分析并結(jié)合其他生物學(xué)特征，古生菌為5個(gè)類群。

三、古生菌的分類從rRNA進(jìn)化樹(shù)上，古生菌分為兩類：廣古菌門(Euryarchaeota)泉古菌門(Crenarchaeota)另外未確定的兩類分別是：初古菌門(Korarchaeota)納古菌門(Nanoarchaeumequitans）廣古菌門(Euryarchaeota)包含了古菌中的大多數(shù)種類，包括了經(jīng)常能在動(dòng)物腸道中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)甲烷菌、在極高鹽濃度下生活的鹽桿菌、一些超嗜熱的好氧和厭氧菌，也有海洋類群。在16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上，它們組成一個(gè)單系群。廣古菌門的主要類群1、產(chǎn)甲烷古生菌2、極端嗜鹽古生菌3、超嗜熱古生菌4、無(wú)細(xì)胞壁古生菌5、還原硫酸鹽古生菌1、產(chǎn)甲烷古生菌產(chǎn)甲烷菌是一群迄今為止所知的最嚴(yán)格厭氧的、能形成甲烷的化能自養(yǎng)或化能異養(yǎng)的古菌群。產(chǎn)甲烷細(xì)菌是都能產(chǎn)生甲烷的一大類群，因此包括了球形、桿形、螺旋形、長(zhǎng)絲狀等不同形態(tài)。（1）嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌

Methanobacteriumthermoautotrophicum

0.2-1.0mmx1.2-120mmOptimumtemperaturerangesfrom35-70oCCellsstainGramnegative（2）亨氏甲烷螺菌

Methanospirillumhungatei

大部分的甲烷短桿菌生長(zhǎng)于反芻動(dòng)物、人類和其它動(dòng)物的腸道中,或是腐朽的植物,以及缺氧的廢水爛泥中。M.smithii是唯一一種生長(zhǎng)在人類腸道的甲烷短桿菌(圖)。

（3）甲烷短桿菌屬

Methanobrevibacterspp.

2、極端嗜鹽古生菌這是一類生活在很高濃度甚至接近飽和濃度鹽環(huán)境中的古菌。AAUUAG序列是其標(biāo)志，均為革蘭氏陰性菌。采用二分裂法進(jìn)行繁殖，無(wú)休眠狀態(tài)，不產(chǎn)孢子，多數(shù)不運(yùn)動(dòng)，少數(shù)靠鞭毛運(yùn)動(dòng)。（1）鹽沼鹽桿菌Halobacteriumspp.細(xì)胞桿狀(0.5～1.2μm×1.0～6.0μm)。運(yùn)動(dòng)。有些菌株具有氣泡囊。革蘭氏陰性，好氧，化能異養(yǎng)型。生活在鹽湖、鹽場(chǎng)及腐敗的鹽制品等中性鹽環(huán)境中。Halobacteriumsp.

3、極端嗜熱古生菌UAACACCAG和CACCACAAG序列是其寡核苷酸標(biāo)志。極端嗜熱或超嗜熱，生長(zhǎng)要求的溫度范圍為45℃~110℃，最適為70℃~105℃，且要求pH為1~3的高酸度環(huán)境。有化能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和兼性營(yíng)養(yǎng)三種不同的營(yíng)養(yǎng)類型。大多能代謝元素硫，能在好氧條件下將硫或H2S氧化為H2SO4，在厭氧條件下可還原元素硫?yàn)镠2S。主要分布于含硫溫泉、火山口、燃燒后的煤礦等環(huán)境。硫化葉菌是第一個(gè)分離鑒定的極端嗜熱古細(xì)菌(Brock等，1970)，生長(zhǎng)在富硫的酸熱泉中，溫度達(dá)90℃以上，pH1～1.5。硫化葉菌AAAACUG和ACCCCA序列是遺傳標(biāo)志。這是一類無(wú)細(xì)胞壁的原核生物，像無(wú)細(xì)胞壁的支原體。由于其無(wú)細(xì)胞壁、嗜熱、嗜酸、行好氧化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，所以被稱為熱源體（或熱原體，眾說(shuō)不一）。長(zhǎng)度0.2μm到1-5μm。有的種具有多根鞭毛，能夠運(yùn)動(dòng)。4、無(wú)細(xì)胞壁古生菌——熱原體屬熱原體能抵御外界滲透壓的變化、對(duì)抗外環(huán)境的低pH值和高熱極端環(huán)境，是因?yàn)樗鼈冸m然沒(méi)有堅(jiān)韌的細(xì)胞壁，但發(fā)育出一種帶有甘露糖和葡萄糖單位的四醚類脂(tetratherlipid)的脂多糖化合物，作為質(zhì)膜的主要成分。同時(shí)，質(zhì)膜中也含有糖肽，但沒(méi)有固醇類化合物，這樣的質(zhì)膜使熱原體表現(xiàn)出對(duì)滲透壓、酸、熱的穩(wěn)定性。目前已知的熱原體只有三個(gè)種：嗜酸熱原體(T.acidophilus)氧化硫熱原體(T.thiooxidans)火山熱原體(T.volcanium)

5、還原硫酸鹽古生菌

這一類主要是指古生球菌（Archaeoglobales）的古生菌。細(xì)胞成不規(guī)則類球形、三角形等，直徑在0.4~2.0μm，單個(gè)或成對(duì)，革蘭氏陰性。菌落可略呈綠黑色，在420nm處可產(chǎn)藍(lán)綠色熒光，嚴(yán)格厭氧。具有糖蛋白的細(xì)胞壁，以H2、乳酸、葡萄糖作為電子供體，將硫酸鹽、亞硫酸鹽或硫代硫酸鹽還原成硫化物，元素硫不能接受電子，這種獨(dú)特的還原硫酸鹽的能力與其它的硫代謝的古生菌有所不同。棲息于海底熱水流火山口。閃爍古生球菌

A.fulgidus分布于深海海底、熱泉和地層深部?jī)?chǔ)油層。化能自養(yǎng)，單極多生鞭毛，并產(chǎn)少量甲烷。古生菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古生菌。很多產(chǎn)甲烷的古生菌存在于動(dòng)物的消化道中，如反芻動(dòng)物、白蟻或者人類。古生菌通常對(duì)其它生物無(wú)害，且未知有致病古生菌。古生菌的分布古生菌的形態(tài)和大小

單個(gè)古生菌細(xì)胞直徑在0.1到15微米之間，有一些種類形成細(xì)胞團(tuán)簇或者纖維，長(zhǎng)度可達(dá)200微米。它們可有各種形狀，如球形、桿形、螺旋形、葉狀或方形。它們具有多種代謝類型。四、古生菌的培養(yǎng)Koch等建立的在實(shí)驗(yàn)室人工條件下對(duì)微生物進(jìn)行分離和純培養(yǎng)技術(shù)，100多年來(lái)一直是我們研究、認(rèn)識(shí)各種微生物的基本手段。目前定種的僅有5000多種(有人認(rèn)為還有超過(guò)99%的尚未被認(rèn)識(shí)到)在目前的條件下不能或很難在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行人工培養(yǎng)，不可能得到其純培養(yǎng)物并對(duì)其進(jìn)行形態(tài)、生理、遺傳等特性的研究。尤其是對(duì)于古細(xì)菌更是如此。在實(shí)驗(yàn)室很難或不能模仿其生存的極端環(huán)境，這就使得對(duì)于古生菌的研究長(zhǎng)期停留在一個(gè)低水平的模糊認(rèn)識(shí)階段。不過(guò)由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究手段的進(jìn)一步提高，現(xiàn)在人們已經(jīng)有可能在不進(jìn)行培養(yǎng)的情況下研究微生物。五、古生菌的研究意義和應(yīng)用發(fā)展前景研究意義1、為微生物進(jìn)化、生命起源的研究提供新的材料。

產(chǎn)甲烷古菌是一種極其古老的微生物，能在無(wú)氧、無(wú)陽(yáng)光的條件下生存，借助化學(xué)反應(yīng)的能量或地?zé)岬冗M(jìn)行新陳代謝，甲烷是其代謝產(chǎn)物。2005年12月5日，加利福尼亞大學(xué)巴福特?普賴斯教授及其同事測(cè)量了長(zhǎng)3000米冰芯中的甲烷濃度,該冰芯是在格陵蘭島鉆探冰層時(shí)獲得的。這項(xiàng)研究在研究地球氣候的格林蘭冰原計(jì)劃2(GISP2)范圍內(nèi)進(jìn)行,在冰芯中測(cè)到的甲烷濃度超過(guò)冰層中允許甲烷濃度水平10倍,該冰層“年齡”超過(guò)10萬(wàn)年。科學(xué)家認(rèn)為,如此高甲烷濃度是由于冰層中存在甲烷細(xì)菌—Archaea古生菌造成的。Archaea古生菌也在記錄有高濃度甲烷的其他冰芯層中發(fā)現(xiàn),冰層深度為冰覆蓋層以下17.35米和100米。測(cè)量表明,80%的Archaea古生菌迄今一直生存在冰層中并產(chǎn)生甲烷,造成冰芯一定冰層中甲烷濃度過(guò)高。從永凍冰層分離微生物科學(xué)家稱，這種能在極端嚴(yán)酷條件下生存的微生物有可能在火星上生存。研究人員認(rèn)為產(chǎn)甲烷古菌很可能存在于火星上，并且是火星大氣中甲烷的來(lái)源。為了驗(yàn)證這一設(shè)想他們制造一臺(tái)熒光探測(cè)儀，用來(lái)探測(cè)產(chǎn)甲烷古菌新陳代謝時(shí)產(chǎn)生的微弱熒光，這臺(tái)儀器能探測(cè)出每毫升土壤或地層中存在的1個(gè)古菌，安裝在新的火星車上尋找火星生命?？茖W(xué)家在火星上放置了兩臺(tái)火星車（機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)），探尋火星上到底是否有生命存在。機(jī)遇號(hào)從火星上找到了不少的的證據(jù)，（1）這些證據(jù)首先證明火星上曾經(jīng)有液態(tài)水。只有水才有可能存在細(xì)菌等微生物。（2）火星上存在甲烷氣體。研究人員認(rèn)為，甲烷古菌很可能存在于火星上，也是火星大氣中甲烷的來(lái)源。通過(guò)兩輛火星車的探索，在火