微生物的进化、系统发育和分类鉴定.ppt

第第 12 12 章章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定微生物的进化、系统发育和分类鉴定 传统分类：传统分类：表性特征的相似程度分群归类；侧重表性特征的相似程度分群归类；侧重应用。应用。生物系统学；生物系统学；在表性特征基础上，通过比较生物在表性特征基础上，通过比较生物的基因型，按生物系统发育相关性水平分群归类，目的基因型，按生物系统发育相关性水平分群归类，目标是探寻各种生物之间的进化关系。标是探寻各种生物之间的进化关系。生物进化：生物进化：生物与其生存环境相互作用过程生物与其生存环境相互作用过程中，遗传系统随时间发生一系列不可逆的改变，中，遗传系统随时间发生一系列不可逆的改变，导致生物表型改变与环境的相适应。导致生物表型改变与环境的相适应。系统发育系统发育:指的是研究各类微生物进化的历史。指的是研究各类微生物进化的历史。生物分类生物分类 在对大量微生物进行观察、分析和描述的基础上，在对大量微生物进行观察、分析和描述的基础上，以形态、结构、生理生化反应和遗传特征的异同为根以形态、结构、生理生化反应和遗传特征的异同为根据，按进化的规律和应用的方便，分门别类的排列成据，按进化的规律和应用的方便，分门别类的排列成一个系统。一个系统。生物多样性：生物多样性：遗传多样性、物种多样性、生遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性等。态系统多样性等。微生物分类学微生物分类学是研究微生物分类理论和技术方法的学科。是研究微生物分类理论和技术方法的学科。微生物分类微生物分类内容提要内容提要12.1 12.1 生物的进化指征生物的进化指征12.2 12.2 细菌分类细菌分类12.3 12.3 微生物分类鉴定的特征和技术微生物分类鉴定的特征和技术12.4 12.4 微生物的快速鉴定和自动化分析技术微生物的快速鉴定和自动化分析技术12.1 12.1 进化的测量指征进化的测量指征生物大分子生物大分子的结构特征，的结构特征，ProPro、RNARNA、DNADNA的分子序的分子序列是生物进化的主要特征反映，即分子序列化的改列是生物进化的主要特征反映，即分子序列化的改变量与分子进化时间成正比。变量与分子进化时间成正比。生物大分子作为分子计时器或进化钟生物大分子作为分子计时器或进化钟-真实真实记录各种生物的进化过程。记录各种生物的进化过程。生物大分子序列的改变量可以确定生物系统发生物大分子序列的改变量可以确定生物系统发育相关性或进化距离。育相关性或进化距离。1 1、进化指征的选择、进化指征的选择形态学特征形态学特征推断生物之间亲缘关系远近是不准确的。推断生物之间亲缘关系远近是不准确的。生物大分子作为进化指征的条件生物大分子作为进化指征的条件 普遍性；功能同源性；线性排列普遍性；功能同源性；线性排列性；变化速率低。性；变化速率低。序列测定和分析方法：寡核苷酸编目法，全序序列测定和分析方法：寡核苷酸编目法，全序列分析法。列分析法。2 2、rRNArRNA作为进化指征作为进化指征16s16s或或18srRNA18srRNA是谱系分析的分子尺；是谱系分析的分子尺；蛋白质合成的组分，具有功能同源性；蛋白质合成的组分，具有功能同源性；保守区、变化区均存在，适用于进化距离不保守区、变化区均存在，适用于进化距离不 同的各类生物亲缘关系研究；同的各类生物亲缘关系研究；线性线性RNARNA，大小适中，测序方便；，大小适中，测序方便；无论是真核生物，还是原核生物都存在，具无论是真核生物，还是原核生物都存在，具 有普遍性。有普遍性。3 3、rRNArRNA的顺序和进化的顺序和进化 全序列分析法：全序列分析法：采用采用RT-RT-双脱氧测序及双脱氧测序及PCRPCR测序，测序，借助计算机进行序列排序。要考虑进化过程中的突变，借助计算机进行序列排序。要考虑进化过程中的突变，采用统计学方法校正。采用统计学方法校正。相似系数（距离数据）：统计两序列之间的异同相似系数（距离数据）：统计两序列之间的异同序列数值，来表示微生物之间的进化关系。序列数值，来表示微生物之间的进化关系。印记序列：微生物进化关系的重要特征，包括单印记序列：微生物进化关系的重要特征，包括单碱基印记。碱基印记。寡核苷酸编目法：寡核苷酸编目法：采用采用rRNArRNA酶解片断、标记、酶解片断、标记、电泳及自显影技术，然后按片断大小进行编目。只电泳及自显影技术，然后按片断大小进行编目。只获得部分序列，采用相似性统计方法，结果会出现获得部分序列，采用相似性统计方法，结果会出现偏差。偏差。相似系数：相似系数：S SABAB=2N=2NABAB/（N NA A+N+NB B）序列印迹：比较种群特有序列序列印迹：比较种群特有序列 分子系统树：通过比较生物大分子序列差异的数分子系统树：通过比较生物大分子序列差异的数值构建的系统树。值构建的系统树。4 4、系统发育树、系统发育树 系统发育树（系统发育树（phylogenetic treephylogenetic tree），也称系统），也称系统树：概括各种微生物之间亲缘关系的树状分枝图型。树：概括各种微生物之间亲缘关系的树状分枝图型。系统树中，分枝末端及连结点为结，代表生物类系统树中，分枝末端及连结点为结，代表生物类群；末端结代表仍生存的种类；结之间的长度表示分群；末端结代表仍生存的种类；结之间的长度表示分子序列的差异数值。主要采用有根树，有起源及进化子序列的差异数值。主要采用有根树，有起源及进化方向方向。常采用最节省分析法或简约法：进化变化的发生，常采用最节省分析法或简约法：进化变化的发生，沿最短的途径，发生最少的变化。沿最短的途径，发生最少的变化。细菌细菌Phylogenetic Trees from DNA SequencesDistance-Matrix Method for generating the treesEvolutionary Distance(ED)Computer compare the sequence differences and build the phylogenetic tree based on corrected ED5 5、三域（界）生物主要特征、三域（界）生物主要特征三域学说及其发展三域学说及其发展 20 20世纪世纪7070年代末由于美国伊利诺斯大学的年代末由于美国伊利诺斯大学的C.R.WoeseC.R.Woese等人对大量微生物和其他生物进行等人对大量微生物和其他生物进行16S16S和和18SrRNA18SrRNA的寡核苷酸测序，并比较其同源性水平后，的寡核苷酸测序，并比较其同源性水平后，提出一个与以往各种界级分类不同的新系统，称为提出一个与以往各种界级分类不同的新系统，称为三域学说。三域学说。“域域”是一个比界更高的界级分类单元，过去是一个比界更高的界级分类单元，过去称为原界。三域指的是称为原界。三域指的是“细菌域细菌域”以前称以前称“真细真细菌域菌域”、古生菌域古生菌域，以前称，以前称“古细菌域古细菌域”和和真核真核生物域。生物域。目前三域学说已获国界学说界的基本肯定，目前三域学说已获国界学说界的基本肯定，总体认为，现在一切生物都是由一种共同的总体认为，现在一切生物都是由一种共同的远远祖祖进化而来，它原是一种小细胞，先分化出进化而来，它原是一种小细胞，先分化出细细菌菌和和古生菌古生菌这两类原核生物，后来在古生菌分这两类原核生物，后来在古生菌分支上的细胞，先、后吞噬了支上的细胞，先、后吞噬了a a朊细菌和蓝细菌，朊细菌和蓝细菌，并发生了内共生，从而两者进化成与宿主细胞并发生了内共生，从而两者进化成与宿主细胞难分难解的细胞器难分难解的细胞器线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体，于是，于是，宿主最终也就发展成了各类宿主最终也就发展成了各类真核生物。真核生物。12.2 12.2 细菌的分类细菌的分类基本分类单位：基本分类单位：界（界（kingdomkingdom）、门（）、门（phyllumphyllum）、）、纲（纲（classclass）、目（）、目（orderorder）、科（）、科（familyfamily）、）、属（属（genusgenus）、种（）、种（speciesspecies）。）。微生物分类对象微生物分类对象：五界、三域系统：五界、三域系统微生物分类意义微生物分类意义 系统分类，寻找各种微生物之间的进化关系统分类，寻找各种微生物之间的进化关系，为人类利用、开发微生物资源提供依据。系，为人类利用、开发微生物资源提供依据。实用方便，方便检索、未知微生物的鉴定。实用方便，方便检索、未知微生物的鉴定。1 1、分类单元及等级、分类单元及等级等级等级界：界：种：具有完全或极多相同特点的有机体构成同种；种：具有完全或极多相同特点的有机体构成同种；结核分枝杆菌。结核分枝杆菌。属：性质相似、相互有关的各种组成属；属：性质相似、相互有关的各种组成属；分枝杆菌属。分枝杆菌属。科：相似的属合并成科；科：相似的属合并成科；分枝杆菌科。分枝杆菌科。目：近似的科合并为目；目：近似的科合并为目；放线菌目。放线菌目。纲：近似的目归纳为纲；纲：近似的目归纳为纲；细菌纲。细菌纲。门：综合各纲为门；门：综合各纲为门；细菌门。细菌门。群（群（groupgroup，seriesseries）：）：某些微生物特性介于两某些微生物特性介于两种微生物之间，不易区分，两个种及它们之间的微生种微生物之间，不易区分，两个种及它们之间的微生物统称为群物统称为群。种：种：形态、生理等方面完全相同或相似的群体。形态、生理等方面完全相同或相似的群体。变种（变种（varietyvariety）：）：种的某种特性已明显改变，种的某种特性已明显改变，且是稳定遗传的。且是稳定遗传的。亚种或小种（亚种或小种（subspeciessubspecies）：）：实验室所获得稳实验室所获得稳定变异的菌株。定变异的菌株。型（型（typetype）：）：变种以下的细分，同种微生物仅变种以下的细分，同种微生物仅仅在某些特殊特性上有差别。仅在某些特殊特性上有差别。菌株或品系（菌株或品系（strainstrain）：）：同种微生物不同来源的同种微生物不同来源的纯培养。纯培养。模式菌株：模式菌株：按照命名法规的要求，当命名一按照命名法规的要求，当命名一个新种时，需要指定一个菌株为这个种的命名模式。个新种时，需要指定一个菌株为这个种的命名模式。2 2、分类单元的命名、分类单元的命名 中国科学院命名（俗名）中国科学院命名（俗名）As1299“1”As1299“1”表示细菌。表示细菌。As2604“2”As2604“2”表示酵母菌。表示酵母菌。As3758As3758“3”“3”表示霉菌。表示霉菌。As4650“4”As4650“4”表示放线菌。表示放线菌。As5604“5”As5604“5”表示真菌。表示真菌。每一种微生物都有一个自己的专门名称。名称每一种微生物都有一个自己的专门名称。名称分两类，一类是地区性的俗名分两类，一类是地区性的俗名(common name(common name，vernacular name)vernacular name)；另一类是国际上统一使用的名；另一类是国际上统一使用的名称，即学名称，即学名(scientific name)(scientific name)。（2 2）第二个字，种名，字首字母小写，微生）第二个字，种名，字首字母小写，微生物的次要性状。物的次要性状。国际命名法国际命名法 Linnaeus Linnaeus双名制，学名由两个拉丁文、希腊文双名制，学名由两个拉丁文、希腊文或拉丁化的其他文字组成；斜体或正文下划线。或拉丁化的其他文字组成；斜体或正文下划线。Bacillus subtilis （1 1）第一个字，属名，字首字母大写，微生）第一个字，属名，字首字母大写，微生物的主要性状；物的主要性状；Aspergillus niger （3 3）为了防止同物异名或同名异物，有时在）为了防止同物异名或同名异物，有时在种名后附有命名人的姓。如：白孢放线菌应写成种名后附有命名人的姓。如：白孢放线菌应写成Actinomyces albos poreus KrainskyActinomyces albos poreus Krainsky （5 5）表表示示变变种种或或亚亚种种时时，在在变变种种之之前前加加 varvar。如如：Bacillus Bacillus subtilis subtilis var.nigervar.niger枯枯草草芽芽孢孢杆杆菌菌属黑色变种。属黑色变种。（4 4）只有属名时，在属名后加）只有属名时，在属名后加sp.sp.单数单数 spp.spp.复数如复数如Streptomyces sp.Streptomyces sp.(一种链霉菌一种链霉菌)，Micrococcus spp.Micrococcus spp.(某些微球菌某些微球菌)。3 3 细菌分类与伯杰氏手册细菌分类与伯杰氏手册 伯杰氏鉴定细菌学手册伯杰氏鉴定细菌学手册(Bergeys Manual (Bergeys Manual Of Determinative Bacteriology)Of Determinative Bacteriology)，美国宾夕法尼亚，美国宾夕法尼亚大学的细菌学教授伯杰大学的细菌学教授伯杰(D.Bergey)(1860-1937)(D.Bergey)(1860-1937)于于19231923编写出版，已经进行过八次修改，现已发行第九编写出版，已经进行过八次修改，现已发行第九版。版。伯杰氏手册是目前进行细菌分类、鉴定的最重要伯杰氏手册是目前进行细菌分类、鉴定的最重要依据，其特点是描述非常详细，包括对细菌各个属种依据，其特点是描述非常详细，包括对细菌各个属种的特征及进行鉴定所需做的实验的具体方法。的特征及进行鉴定所需做的实验的具体方法。12.3 12.3 微生物分类鉴定的特征和技术微生物分类鉴定的特征和技术 1 1、形态学和生理生化特征、形态学和生理生化特征形态学特征形态学特征 培养特征、细胞形态及其染色特性、特殊的培养特征、细胞形态及其染色特性、特殊的细胞结构、运动性等等。细胞结构、运动性等等。生理生化特征生理生化特征 营养类型、与氧的关系、对温度的适应性、营养类型、与氧的关系、对温度的适应性、对对pHpH的适应性、对渗透压的适应性、代谢产物等。的适应性、对渗透压的适应性、代谢产物等。2 2 血清学试验与噬菌体分型血清学试验与噬菌体分型 噬菌体分型噬菌体分型 根据噬菌体的宿主范围可将细菌分为不同的噬根据噬菌体的宿主范围可将细菌分为不同的噬菌型和利用噬菌体裂解作用的特异性进行细菌鉴菌型和利用噬菌体裂解作用的特异性进行细菌鉴定。定。血清学试验血清学试验 凝聚反应、沉淀反应、补体结合、直接或凝聚反应、沉淀反应、补体结合、直接或间接的免疫荧光的抗体技术、酶联免疫以及免间接的免疫荧光的抗体技术、酶联免疫以及免疫组织化学方法。疫组织化学方法。3 3 氨基酸顺序和蛋白质分析氨基酸顺序和蛋白质分析 蛋白质是基因的产物，蛋白质氨基酸顺蛋白质是基因的产物，蛋白质氨基酸顺 序直接反应序直接反应mRNAmRNA顺序而与编码基因密切相关。顺序而与编码基因密切相关。因此，可以通过对某些同源蛋白质氨基酸比因此，可以通过对某些同源蛋白质氨基酸比较来分析不同生物系统发育的关系，序列相较来分析不同生物系统发育的关系，序列相似性越高，其亲缘关系愈近。似性越高，其亲缘关系愈近。4 4 核酸的碱基组成和分子杂交核酸的碱基组成和分子杂交 DNA DNA的碱基组成（的碱基组成（G+CG+C）用用G+CG+C占全部碱基的克分子百分数占全部碱基的克分子百分数(G+Cmol%)(G+Cmol%)来表示来表示各类生物的各类生物的DNADNA碱基因组成特征。碱基因组成特征。核酸的分子杂交核酸的分子杂交DNADNADNADNA杂交杂交DNArRNADNArRNA杂交杂交 核酸探针：是指能识别特异核苷酸序列的、带核酸探针：是指能识别特异核苷酸序列的、带标记的一段单链标记的一段单链DNADNA或或RNARNA分子。分子。5 5、遗传重组、遗传重组 大多数真核微生物都能进行有性生殖，所以大多数真核微生物都能进行有性生殖，所以分类学上用能否进行有性生殖来定义物种。原核生分类学上用能否进行有性生殖来定义物种。原核生物虽没有有性生殖，但他们可以通过转化、转导和物虽没有有性生殖，但他们可以通过转化、转导和接合作用进行染色体基因的交换。而这种交换的细接合作用进行染色体基因的交换。而这种交换的细菌之间需要存在广泛的染色体同原性，否则这类重菌之间需要存在广泛的染色体同原性，否则这类重组就不能发生。组就不能发生。对一株未知细菌菌株，如何将其鉴定到种？对一株未知细菌菌株，如何将其鉴定到种？（1 1）检查是否是纯培养，若不存需要纯化。）检查是否是纯培养，若不存需要纯化。（2 2）测定一些最基本的形态和生理生化特征，）测定一些最基本的形态和生理生化特征，确定菌株属于哪一大类。确定菌株属于哪一大类。（3 3）查阅有关类群的分类检索表或相关资料，根据）查阅有关类群的分类检索表或相关资料，根据 资料提示的鉴别特征进行特征鉴定。资料提示的鉴别特征进行特征鉴定。（4 4）根据特征测定结果，逐渐缩小菌株归属范）根据特征测定结果，逐渐缩小菌株归属范 围，确定所属科属。围，确定所属科属。（5 5）根据有关的分种检索表或相关资料进一步进）根据有关的分种检索表或相关资料进一步进 行特征测定，初步确定所归属的种。行特征测定，初步确定所归属的种。微量多项试验鉴定系统：微量多项试验鉴定系统：根据微生物生理生化特根据微生物生理生化特征的实验结果，进行数码分类鉴定，也称简易诊断技征的实验结果，进行数码分类鉴定，也称简易诊断技术或数码分类鉴定法；广泛应用于动植物检疫、临床术或数码分类鉴定法；广泛应用于动植物检疫、临床检验、食品卫生、药品检查、环境监测、发酵控制、检验、食品卫生、药品检查、环境监测、发酵控制、生态研究等方面。生态研究等方面。著名品牌是法国生物著名品牌是法国生物梅里埃集团的梅里埃集团的API/ATBAPI/ATB；ROCHEROCHE公司的公司的Micro-IDMicro-ID，EnterotubeEnterotube，MinitekMinitek等；美等；美国的国的BiologBiolog；日本的微孔滤膜块。；日本的微孔滤膜块。12.4 12.4 微生物的快速鉴定和自动化分析技术微生物的快速鉴定和自动化分析技术 快速、自动化微生物检测仪器设备快速、自动化微生物检测仪器设备 依据：依据：微生物化学组成、结构、性能微生物化学组成、结构、性能 差别；代差别；代谢过程不同、产物特异；能量转移、信息传递有差异；谢过程不同、产物特异；能量转移、信息传递有差异；与环境的关系不同。与环境的关系不同。主要仪器设备主要仪器设备 通用：通用：气相色谱、液相色谱、质谱、气相色谱、液相色谱、质谱、X X射射线衍色、核磁共振波谱仪、激光拉曼光谱仪、线衍色、核磁共振波谱仪、激光拉曼光谱仪、激光显微镜等。激光显微镜等。专用：专用：阻抗测定、放射测量、微量量热计、阻抗测定、放射测量、微量量热计、生物发光测量仪、药敏自动测量仪、自动微生物生物发光测量仪、药敏自动测量仪、自动微生物检测仪。检测仪。现代分子生物学和免疫学技术现代分子生物学和免疫学技术 DNA DNA探针，探针，PCRPCR、DNADNA芯片、芯片、ELISAELISA、免疫、免疫荧光、放射免疫及全自动免疫诊断。荧光、放射免疫及全自动免疫诊断。计算机的应用计算机的应用 分类鉴定中的应用：分类鉴定中的应用：分类单位确定、选择分类单位确定、选择分类特征；特征资料收集；资料编码、标准化；分类特征；特征资料收集；资料编码、标准化；相似性数值聚类分析。相似性数值聚类分析。在线控制：在线控制：pHpH、温度、时间、压力、搅拌、温度、时间、压力、搅拌转速、溶氧、补料等。转速、溶氧、补料等。图像处理、分析、三维模拟，资料存储。图像处理、分析、三维模拟，资料存储。12.5 12.5 微生物资源的保护及开发利用微生物资源的保护及开发利用工业化大规模自动化生产和提高效率的理想资源。工业化大规模自动化生产和提高效率的理想资源。微生物资源：微生物资源：对人类具有潜在用途或价值的对人类具有潜在用途或价值的遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态系遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态系统中任何其他生物组成部分。统中任何其他生物组成部分。微生物资源特点微生物资源特点遗传资源特别丰富，代谢种类繁多；遗传资源特别丰富，代谢种类繁多；微生物多样性特点；微生物多样性特点；微生物资源的开发微生物资源的开发 微生物菌体的生产和应用；微生物机能的微生物菌体的生产和应用；微生物机能的应用；微生物代谢产物的应用；微生物基因的应用；微生物代谢产物的应用；微生物基因的利用。利用。微生物资源保护微生物资源保护思考题思考题进化进化 菌株菌株 核酸探针核酸探针 系统发育树系统发育树 亚种或变种亚种或变种 分类学分类学 系统学系统学 模式菌株模式菌株微生物分类鉴定依据微生物分类鉴定依据微生物分类形态学特征微生物分类形态学特征微生物分类生理生化特征微生物分类生理生化特征种及种以下的分类单元种及种以下的分类单元 学名与俗名学名与俗名微生物的命名原则微生物的命名原则对一株未知菌株，如何将其鉴定到种对一株未知菌株，如何将其鉴定到种