微生物的進(jìn)化

關(guān)于微生物的進(jìn)化第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四進(jìn)化(evolution)：生物與其生存環(huán)境相互作用過(guò)程中，其遺傳系統(tǒng)隨時(shí)間發(fā)生一系列不可逆的改變，在大多數(shù)情況下，導(dǎo)致生物表型改變和對(duì)生存環(huán)境的相對(duì)適應(yīng)。今天仍生存在地球上的生物種類，彼此之間都有或遠(yuǎn)或近的歷史淵源。最原始的生命漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程千姿百態(tài)的生物種類第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四系統(tǒng)發(fā)育(phylogeny)：各類生物進(jìn)化的歷史。分類(classification)：根據(jù)生物特性的相似程度將其分群歸類。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。第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四生物分類的二種基本原則：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(yīng)用，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，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)育的分類系統(tǒng)。從進(jìn)化論誕生以來(lái)，已經(jīng)成生物學(xué)家普遍接受的分類原則生物系統(tǒng)學(xué)(systematics)第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)進(jìn)化的測(cè)量指征70年代以前，生物類群間的親緣關(guān)系判斷的主要根據(jù)：形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、行為習(xí)性，等等少量的化石資料表型特征：一、進(jìn)化指征的選擇第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四原核生物的特點(diǎn)：形體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、缺少有性繁殖過(guò)程，化石資料鳳毛麟角第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四b）形態(tài)特征在不同類群中進(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；根據(jù)形態(tài)學(xué)特征推斷微生物之間的親緣關(guān)系的缺點(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；雖然根據(jù)少量表型特征來(lái)推測(cè)各類微生物的親緣關(guān)系而提出的許多分類系統(tǒng)，都隨著時(shí)間的推移而不斷地被否定了。第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四六、七十年代：分析和比較生物大分子的結(jié)構(gòu)特征，特別是蛋白質(zhì)、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物進(jìn)化關(guān)系的主要指征。分子計(jì)時(shí)器(molecularchronometers)進(jìn)化鐘(evolutionaryclock)第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四蛋白質(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。1.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。第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.作為進(jìn)化標(biāo)尺的生物大分子的選擇原則1）在所需研究的種群范圍內(nèi)，它必須是普遍存在的。2）在所有物種中該分子的功能是相同的。3）為了鑒定大分子序列的同源位置或同源區(qū)，要求所選擇的分子序列必須能嚴(yán)格線性排列，以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析比較。4）分子上序列的改變（突變）頻率應(yīng)與進(jìn)化的測(cè)量尺度相適應(yīng)。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。第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、RNA作為進(jìn)化的指征16SrRNA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子是18SrRNA)。因此它可以作為測(cè)量各類生物進(jìn)化的工具。第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四利用16SrRNA建立分子進(jìn)化樹的美國(guó)科學(xué)家

CarlWoese

第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、rRNA和系統(tǒng)發(fā)育樹1.rRNA的順序和進(jìn)化培養(yǎng)微生物提取并純化rRNArRNA序列測(cè)定分析比較微生物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.特征序列或序列印記（signaturesequence）通過(guò)對(duì)rRNA全序列資料的分析比較（特別是采用計(jì)算機(jī)）發(fā)現(xiàn)的在不同種群水平上的特異特征性寡核苷酸序列，或在某些特定的序列位點(diǎn)上出現(xiàn)的單堿基印記。特征序列有助于迅速確定某種微生物的分類歸屬，或建立新的分類單位。第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.系統(tǒng)發(fā)育樹(phylogenetictree)通過(guò)比較生物大分子序列差異的數(shù)值構(gòu)建的系統(tǒng)樹稱為分子系統(tǒng)樹，其特點(diǎn)是用一種樹狀分枝的圖型來(lái)概括各種(類)生物之間的親緣關(guān)系。分枝的末端和分枝的連結(jié)點(diǎn)稱為結(jié)(node)，代表生物類群，分枝末端的結(jié)代表仍生存的種類。系統(tǒng)樹可能有時(shí)間比例，或者用兩個(gè)結(jié)之間的分枝長(zhǎng)度變化來(lái)表示分子序列的差異數(shù)值。第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育樹第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1）生命的第三種形式——古生菌動(dòng)物界和植物界原核生物和真核生物（20世紀(jì)60年代）古細(xì)菌(archaebacteria)真細(xì)菌(Eubacteria)真核生物(Eukaryotes)（1977，CarlWoese）Bacteria(細(xì)菌)Archaea(古生菌)Eukarya(真核生物)（1990，CarlWoese）原核生物界（Kingdom）域（domain）第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3）三（界)域生物的主要特征三界理論雖然是根據(jù)16SrRNA序列的比較提出的，但其他特征的比較研究結(jié)果也在一定程度上支持了三界生物的劃分。第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)細(xì)菌分類分類是認(rèn)識(shí)客觀事物的一種基本方法。我們要認(rèn)識(shí)、研究和利用各種微生物資源也必須對(duì)它們進(jìn)行分類。分類(classification)：根據(jù)一定的原則(表型特征相似性或系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)性)對(duì)微生物進(jìn)行分群歸類，根據(jù)相似性或相關(guān)性水平排列成系統(tǒng)，并對(duì)各個(gè)分類群的特征進(jìn)行描述，以便查考和對(duì)未被分類的微生物進(jìn)行鑒定；(根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)的過(guò)程)分類學(xué)涉及三個(gè)相互依存又有區(qū)別的組成部分：鑒定分類、命名、第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四命名(nomenclature)：是根據(jù)命名法規(guī)，給每一個(gè)分類群一個(gè)專有的名稱；(分類系統(tǒng)建立過(guò)程中的步驟之一)鑒定(identification或determination)：借助于現(xiàn)有的微生物分類系統(tǒng)，通過(guò)特征測(cè)定，確定未知的、或新發(fā)現(xiàn)的、或未明確分類地位的微生物所應(yīng)歸屬分類群的過(guò)程。(根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)確定未知微生物分類歸屬的過(guò)程)主要以細(xì)菌為例介紹微生物分類、命名和鑒定的有關(guān)知識(shí)第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、分類單元及其等級(jí)界門綱目科屬種第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四常用的細(xì)菌分類學(xué)術(shù)語(yǔ)：1）培養(yǎng)物(culture)：一定時(shí)間一定空間內(nèi)微生物的細(xì)胞群或生長(zhǎng)物。如微生物的斜面培養(yǎng)物、搖瓶培養(yǎng)物等。2）菌株(strain)：從自然界中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(gè)菌株；用實(shí)驗(yàn)方法(如通過(guò)誘變)

所獲得的某一菌株的變異型，也可以稱為一個(gè)新的菌株，以便與原來(lái)的菌株相區(qū)別。菌株是微生物分類和研究工作中最基礎(chǔ)的操作實(shí)體（參見P321）第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3）型(form或type)：常指亞種以下的細(xì)分。當(dāng)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(shí)，可以細(xì)分為不同的型。例如抗原特征的差異分為不同的血清型；對(duì)噬菌體裂解反應(yīng)的不同分為不同的噬菌型等4）種（species）：物種，生物分類中基本的分類單元和分類等級(jí)。高等生物中，“生殖隔離”被看作是區(qū)分物種的標(biāo)準(zhǔn)微生物的種：具有高度特征相似性的菌株群，這個(gè)菌株群與其他類群的菌株有很明顯的區(qū)別。（參見P321）第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、微生物的命名雙名法，由二個(gè)拉丁字或希臘字或拉丁化了的其它文字組成，一般用斜體表示（參見P323）屬名在前，一般用拉丁字名詞表示，字首字母大寫種名在后，常用拉丁文形容詞表示，全部小寫若所分離的菌株只鑒定到屬，而未鑒定到種，可用sp來(lái)表示，例如Bacillussp第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

伯杰氏手冊(cè)《伯杰氏鑒定細(xì)菌學(xué)手冊(cè)》(Bergey’sManualofDeterminativeBacteriology)美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的細(xì)菌學(xué)教授伯杰(D.Bergey)(1860-1937)1957年第七版后，由于越來(lái)越廣泛地吸收了國(guó)際上細(xì)菌分類學(xué)家參加編寫(如1974年第八版，撰稿人多達(dá)130多位，涉及15個(gè)國(guó)家；現(xiàn)行版本撰稿人多達(dá)300多人，涉及近20個(gè)國(guó)家)，所以它的近代版本反映了出版年代細(xì)菌分類學(xué)的最新成果，因而逐漸確立了在國(guó)際上對(duì)細(xì)菌進(jìn)行全面分類的權(quán)威地位。第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四《伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊(cè)》(Bergey’sManualofSystematicBacteriology)伯杰氏手冊(cè)是目前進(jìn)行細(xì)菌分類、鑒定的最重要依據(jù)，其特點(diǎn)是描述非常詳細(xì)，包括對(duì)細(xì)菌各個(gè)屬種的特征及進(jìn)行鑒定所需做的實(shí)驗(yàn)的具體方法。（20世紀(jì)80年代末期）第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)微生物分類鑒定的特征和技術(shù)血清學(xué)試驗(yàn)、噬菌體分型、生態(tài)特性、氨基酸順序和蛋白質(zhì)分析、對(duì)細(xì)胞壁等細(xì)胞成分的分析比較、通過(guò)原核生物的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合來(lái)判斷原核生物的親緣關(guān)系等等。參見P330-334第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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)DNA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生物之間基因組的差異，因此結(jié)果更加可信。（參見P332）第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.DNA的堿基組成(G+Cmol%)DNA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)生明顯變化。分類學(xué)上，用G+C占全部堿基的分子百分?jǐn)?shù)(G+Cmol%)來(lái)表示各類生物的DNA堿基因組成特征。（參見P332）第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1）每個(gè)生物種都有特定的GC%范圍，因此后者可以作為分類鑒定的指標(biāo)。細(xì)菌的GC%范圍為25--75%，變化范圍最大，因此更適合于細(xì)菌的分類鑒定。第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2）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，并可檢驗(yàn)表型特征分類的合理性，從分子水平上判斷物種的親緣關(guān)系。3）使用原則：G+C含量的比較主要用于分類鑒定中的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，它們應(yīng)該具有相似的G+C含量，若不同生物之間G+C含量差別大表明它們關(guān)系遠(yuǎn)。但具有相似G+C含量的生物并不一定表明它們之間具有近的親緣關(guān)系。第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四同一個(gè)種內(nèi)的不同菌株G+C含量差別應(yīng)在4～5%以下；同屬不同種的差別應(yīng)低于10～15%；G+C含量已經(jīng)作為建立新的微生物分類單元的一項(xiàng)基本特征，它對(duì)于種、屬甚至科的分類鑒定有重要意義。若二個(gè)在形態(tài)及生理生化特性方面及其相似的菌株，如果其G+C含量的差別大于5%，則肯定不是同一個(gè)種，大于15%則肯定不是同一個(gè)屬。第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在疑難菌株鑒定、新種命名、建立一個(gè)新的分類單位時(shí)，G+C含量是一項(xiàng)重要的，必不可少的鑒定指標(biāo)。其分類學(xué)意義主要是作為建立新分類單元的一項(xiàng)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。G+C含量的比較主要用于分類鑒定中的否定第33頁(yè)，共3