微生物的進化

關(guān)于微生物的進化第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月進化(evolution)：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(shù)情況下，導(dǎo)致生物表型改變和對生存環(huán)境的相對適應(yīng)。今天仍生存在地球上的生物種類，彼此之間都有或遠或近的歷史淵源。最原始的生命漫長的進化歷程千姿百態(tài)的生物種類第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)發(fā)育(phylogeny)：各類生物進化的歷史。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。第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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)性水平來分群歸類，其目標(biāo)是探尋各種生物之間的進化關(guān)系，建立反映生物系統(tǒng)發(fā)育的分類系統(tǒng)。從進化論誕生以來，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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)進化的測量指征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、進化指征的選擇第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月原核生物的特點：形體微小、結(jié)構(gòu)簡單、缺少有性繁殖過程，化石資料鳳毛麟角第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月b）形態(tài)特征在不同類群中進化速度差異很大，僅根據(jù)形態(tài)推斷進化關(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：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；雖然根據(jù)少量表型特征來推測各類微生物的親緣關(guān)系而提出的許多分類系統(tǒng)，都隨著時間的推移而不斷地被否定了。第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月六、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化關(guān)系的主要指征。分子計時器(molecularchronometers)進化鐘(evolutionaryclock)第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(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)與分子進化的時間成正比。1.生物大分子作為進化標(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，------------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。第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.作為進化標(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，以便進行進一步的分析比較。4）分子上序列的改變（突變）頻率應(yīng)與進化的測量尺度相適應(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)域進化變化速度低。第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、RNA作為進化的指征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)。因此它可以作為測量各類生物進化的工具。第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月利用16SrRNA建立分子進化樹的美國科學(xué)家

CarlWoese

第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、rRNA和系統(tǒng)發(fā)育樹1.rRNA的順序和進化培養(yǎng)微生物提取并純化rRNArRNA序列測定分析比較微生物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.特征序列或序列印記（signaturesequence）通過對rRNA全序列資料的分析比較（特別是采用計算機）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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.系統(tǒng)發(fā)育樹(phylogenetictree)通過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，其特點是用一種樹狀分枝的圖型來概括各種(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)樹可能有時間比例，或者用兩個結(jié)之間的分枝長度變化來表示分子序列的差異數(shù)值。第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育樹第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1）生命的第三種形式——古生菌動物界和植物界原核生物和真核生物（20世紀(jì)60年代）古細菌(archaebacteria)真細菌(Eubacteria)真核生物(Eukaryotes)（1977，CarlWoese）Bacteria(細菌)Archaea(古生菌)Eukarya(真核生物)（1990，CarlWoese）原核生物界（Kingdom）域（domain）第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)細菌分類分類是認(rèn)識客觀事物的一種基本方法。我們要認(rèn)識、研究和利用各種微生物資源也必須對它們進行分類。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)對微生物進行分群歸類，根據(jù)相似性或相關(guān)性水平排列成系統(tǒng)，并對各個分類群的特征進行描述，以便查考和對未被分類的微生物進行鑒定；(根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)的過程)分類學(xué)涉及三個相互依存又有區(qū)別的組成部分：鑒定分類、命名、第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月命名(nomenclature)：是根據(jù)命名法規(guī)，給每一個分類群一個專有的名稱；(分類系統(tǒng)建立過程中的步驟之一)鑒定(identification或determination)：借助于現(xiàn)有的微生物分類系統(tǒng)，通過特征測定，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)歸屬分類群的過程。(根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)確定未知微生物分類歸屬的過程)主要以細菌為例介紹微生物分類、命名和鑒定的有關(guān)知識第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月一、分類單元及其等級界門綱目科屬種第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的細菌分類學(xué)術(shù)語：1）培養(yǎng)物(culture)：一定時間一定空間內(nèi)微生物的細胞群或生長物。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菌株，以便與原來的菌株相區(qū)別。菌株是微生物分類和研究工作中最基礎(chǔ)的操作實體（參見P321）第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3）型(form或type)：常指亞種以下的細分。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，可以細分為不同的型。例如抗原特征的差異分為不同的血清型；對噬菌體裂解反應(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。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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、微生物的命名雙名法，由二個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來表示，例如Bacillussp第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

伯杰氏手冊《伯杰氏鑒定細菌學(xué)手冊》(Bergey’sManualofDeterminativeBacteriology)美國賓夕法尼亞大學(xué)的細菌學(xué)教授伯杰(D.Bergey)(1860-1937)1957年第七版后，由于越來越廣泛地吸收了國際上細菌分類學(xué)家參加編寫(如1974年第八版，撰稿人多達130多位，涉及15個國家；現(xiàn)行版本撰稿人多達300多人，涉及近20個國家)，所以它的近代版本反映了出版年代細菌分類學(xué)的最新成果，因而逐漸確立了在國際上對細菌進行全面分類的權(quán)威地位。第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月《伯杰氏系統(tǒng)細菌學(xué)手冊》(Bergey’sManualofSystematicBacteriology)伯杰氏手冊是目前進行細菌分類、鑒定的最重要依據(jù)，其特點是描述非常詳細，包括對細菌各個屬種的特征及進行鑒定所需做的實驗的具體方法。（20世紀(jì)80年代末期）第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)微生物分類鑒定的特征和技術(shù)血清學(xué)試驗、噬菌體分型、生態(tài)特性、氨基酸順序和蛋白質(zhì)分析、對細胞壁等細胞成分的分析比較、通過原核生物的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合來判斷原核生物的親緣關(guān)系等等。參見P330-334第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的堿基組成和分子雜交特點：與形態(tài)及生理生化特性的比較不同，對DNA的堿基組成的比較和進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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.DNA的堿基組成(G+Cmol%)DNA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。分類學(xué)上，用G+C占全部堿基的分子百分?jǐn)?shù)(G+Cmol%)來表示各類生物的DNA堿基因組成特征。（參見P332）第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1）每個生物種都有特定的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30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2）GC%測定主要用于對表型特征難區(qū)分的細菌作出鑒定，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(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。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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月同一個種內(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，如果其G+C含量的差別大于5%，則肯定不是同一個種，大于15%則肯定不是同一個屬。第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月在疑難菌株鑒定、新種命名、建立一個新的分類單位時，G+C含量是一項重要的，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