【教学课件】第十章微生物的分类、鉴定及命名.ppt

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1、第十章 微生物的分类、鉴定及命名,本章内容提要,1 生物界的分类2 微生物的分类学3 分类单元和分类名词4 微生物的命名5 进化指针的选择6 微生物分类鉴定的特征和技术7 微生物的分类系统,教学提示：*重点掌握各分类单元名称、微生物命名原则*了解微生物的进化地位和分类系统。*难点是分类学的名词术语和常见常用微生物的拉丁文学名，但又是必须掌握的。要求掌握的较重要的常见常用微生物共约30个学名，希望同学们认真领会、记忆，这是回避不了的，是微生物学学习的基本功。,1、生物界的分类,地球上的物种估计大约有200万种，其中微生物超过10万种，而且其数目还在不断增加。（因已知微生物仅10%，已开发利用的是

2、已知的1%。）,在生物进化历史过程中演化形成生物种类和种群的多样性。,生物分类就是通过研究生物的系统发育及其进化历史，揭示各类生物的多样性及其系统发生关系，编制分类系统，还原生物的自然历史位置。,高等动植物分类,化石资料、形态学、比较胚胎学,较正确反映其系统发育,微生物分类的难题：,绝大部分微生物个体小、形态简单、易受环境影响而变异、缺少有性繁殖过程、缺乏化石资料。,生物分类的二种基本原则：,a）根据表型特征(phenotype)的相似程度分群归类，这种表型分类重在应用，不涉及生物进化或不以反映生物亲缘关系为目标；,b）按照生物系统发育相关性水平来分群归类，其目标是探寻各种生物之间的进化关系，

3、建立反映生物系统发育的分类系统。,生物的界级分类学说：在认识发展过程的不同阶段存在对生物分类的不同观点。如：二界系统、三界系统、四界系统、五界系统、六界系统和三原界系统直至三域学说.,生物的界级分类学说,三原界系统是1978年由和L.Margulis提出的。所有生物存在一个共同祖先，由它分三条进化路线，就形成了三个原界：古细菌（Archaebacteria）原界、真细菌(Eubacteria)原界、真核生物(Eucaryotes)原界.内共生学说主要是L.Margulis的贡献.,L.Margulis 的真核细胞共生起源假说,三原界系统,利用16S rRNA建立分子进化树的美国科学家 Carl

4、 Woese 16S rRNA分子计时器（molecular chronometers）或分子尺、或进化钟（evolutionary clock）,三域学说的建立,三域学说(three domains theory)及其 生物进化谱系树,三域:细菌域(Bacteria)古生菌域(Archaea)真核生物域(Eukarya),人类对微生物的认识水平是生物界级 分类的核心,微生物的进化地位：,通过放射性元素的计时技术，测得地球年龄约有45-46亿年。从最古老的微生物化石叠层岩中发现，类似细菌的生物在约35亿年前就已出现，此时地球开始由化学进化转入到生物进化阶段（此时为单极生态系，最早出现的生命形态

5、主要是古生菌）；发现蓝细菌类原核生物是在21亿年前,此时已进化到双极生态系统，并且地球大气开始由无氧变成有氧，并且开始有了阻挡紫外线的臭氧层，之后出现真核微生物；大约6亿年前，水圈中出现了后生动物（摄食消费者），至此已形成了三极生态系；之后出现由“鱼陆生生物两栖类爬行类”的进化趋势，人类诞生至今不过300万年。,有人认为，如果把地球年龄比喻为一年的话，则微生物诞生的时间是在3月20日左右，人类出现的时间是12月31日下午7时左右，所以可以毫不夸张地说，微生物是一切生物（包括人类）的“老前辈”。,2、微生物分类学,经典分类学：按微生物表型特征分类,微生物系统学：按亲缘关系和进化规律分类,表型特征

6、：形态学、生理生化学、生态学等，推断微生物的系统发育。,表型特征结合分子水平上的基因型特征（如16S rRNA)，探讨微生物进化地位、系统发育关系并进行分类鉴定。,微生物分类学的三个任务：分类、鉴定及命名,分类是根据微生物的相似性和亲缘关系，将微生物归入不同的分类类群。,鉴定是确定一个新的分离物属于已经确认的哪个分类类群的过程。,命名是根据国际命名法规给每一微生物类群及种类以科学的名称。,以啤酒酵母为例，它在分类学上的地位是：界(Kindom)：真菌界 门(Phyllum)：真菌门 纲(Class)：子囊菌纲 目(Order)：内孢霉目 科(Family)：内孢霉科 属(Genus)：酵母属

7、种(Species)：啤酒酵母,3、微生物的分类单元和分类学名词,界、门、纲、目、科、属、种七级单元种是最基本的分类单元每一分类单元后可有若干辅助单元，如亚门、亚纲、亚目、亚科等,种（species）：是一个基本分类单位；是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近，与同属内其他种有明显差别的一大群菌株的总称。,菌株（strain）:表示任何由一个独立分离的单细胞繁殖而成的纯种群体及其一切后代（起源于共同祖先并保持祖先特性的一组纯种后代群）。因此，一种微生物的每一不同来源的纯培养物均可称为该菌种的一个菌株。菌株强调的是遗传型纯的谱系.,以 大肠埃希氏杆菌的2个菌株为例：Escherichia c

8、oli K12 和 Escherichia coli-157:H7“菌株”的数量是无限的；“种”的数量应该是有限的。菌株名称表示法：紧随学名后，可随意命名。种是分类学上的基本单位，菌株是实际应用中的基本单位，因为同一菌种的不同菌株在产酶等代谢物的种类或产量上会有很大的不同和差别！,模式种：在微生物中，一个种只能用该种内的一个典型菌株（type strain）当其具体代表，此即该种的模式种（type species）。例如：两歧双歧杆菌的大量菌株中，只有“ATCC29521”菌株才是模式种,亚种(subspecies）或变种(variety)：种内细分时所用单元。当某一个种内的某一菌株存在少数明

9、显而稳定的变异特征与模式种不同，而此差异又不足以当作命名新种的依据时，可以将这些菌株细分成小的分类单元亚种。变种是亚种的同义词，因“变种”一词易引起词义上的混淆，从1976年后，已废除使用变种一词。如：E.coli k12（野生型）培养时是不需要添加氨基酸的，而实验室变异后，可从k12菌株获得某种氨基酸的缺陷型菌株，此即E.coli k12的一个亚种。,型(form):亚种以下的细分，仅作若干变异型的后缀使用.当同种或同亚种内不同菌株之间的性状差异不足以分为新的亚种时，可以细分为不同的型。例如：按抗原特征的差异分为不同的血清型；另有形态变异型、致病变异型等,纯培养(物):在微生物学中,在人为规

10、定的条件下培养、繁殖得到的微生物群体称作培养物（culture）,只有一种微生物的培养物称作纯培养物（pure culture）.在实际工作中，纯培养常以试管斜面或试管液体形式存在.,上述名词中，菌株、亚种、变种、型、纯培养(物）等都不具有分类学地位，只有种及其以上的分类单元才具有正式分类学地位。,学名微生物的科学名称，是按照“国际命名法规”进行命名并受到国际学术界公认的通用名称。学名由拉丁词或拉丁化的外来词组成。学名的命名主要用双名法，少数情况下用三名法。双名法：学名=属名+种加词+（首次定名人）+现定名人+定名年份,属名：表示微生物的主要特征，首字母大写。由微生物构造、形态或科学家姓氏等词

11、经拉丁化后而成。种加词：表示微生物次要特征，首字母小写。可由微生物产的色素或其形状、来源或科学家姓名等词拉丁化而成。,4、微生物的命名,必要，需用斜体表示,可省略.用正体表示,微生物的名字有俗名和学名两种。如：红色面包霉粗糙脉孢霉 绿脓杆菌铜绿假单胞菌,例：大肠埃希氏杆菌 Escherichia coli（Migula）Castellani et Chalmers 1919 金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus Rosenbach 1884 枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis,关于微生物的新种新分离到并鉴定过的、从未记载过的微生物,新种命名：按国际命名法规进行

12、命名，并在规定的学术刊物上发表，而且应在其学名后附上“sp.nov”符号。例如：Corynebacterium pekinense sp.nov AS1.299,当泛指某一属微生物而不特指该属中某一具体种时，或者还未确定种名时，可在属名后加sp.或ssp.（分别代表species 缩写的单数和复数形式）（用正体字打印）表示.例如：Saccharomyces sp.表示酿酒酵母属中的一(某)个种。Saccharomyces spp.表示酿酒酵母属中的一(某)些种。,菌株名称在种名后面自行加上数字、地名或符号等，如：Bacillus subtilis AS1.389 AS=Academia Sin

13、icaBacillus subtilis BF7658 BF=北纺Clostridium acetobutylicum ATCC824 丙酮丁醇梭菌ATCCAmerican Type Culture Collection美国模式菌种保藏中心 当文章中前面已出现过某学名后面再出现时，可将后出现的属名简写成1-3个字母。如：Bacillus subtilis AS1.398 B.subtilis BF7658 Bac.brevis 短芽孢杆菌,Escherichia coli B 大肠杆菌B株Bacillus subtilis AS1.398 枯草芽孢杆菌AS1.398菌株 AS1.*Academ

14、ia Sinica（中科院）对细菌类的编号 AS2.*酵母类 AS3.*霉菌类 AS4.*放线菌类例：S.cerevisiae的常用菌株有：AS2.173 一株葡萄酒酵母AS2.375 一株面包酵母AS2.393 一株酒精酵母AS2.14 一株啤酒酵母AS2.4 另一株啤酒酵母AS2.346 一株果酒酵母,三名法：用于对亚种的命名，这时在属名和种名后加写一个subsp(排正体），然后再附上亚种名称（排斜体）。如：Bacillus thuringiensis（subsp）galleria 苏云金芽孢杆菌腊螟亚种,形态结构、生理生化、少量的化石资料、行为习性，等等,表型特征：,5、进化指征的选择:

15、,b）形态特征在不同类群中进化速度差异很大，仅根据形态推断进化关系往往不准确；,缺点：,a）由于微生物可利用的形态特征少，很难把所有生物放在同一水平上进行比较；,蛋白质、RNA和DNA序列进化变化的显著特点是进化速率相对恒定，也就是说，分子序列进化的改变量(氨基酸或核苷酸替换数或替换百分率)与分子进化的时间成正比。,生物大分子作为进化标尺依据,a）在两群生物中，如果同一种分子的序列差异很大时，,进化距离远，进化过程中很早就分支了。,b）如果两群生物同一来源的大分子的序列基本相同或相似性很大，,处在同一进化水平上。,大量的资料表明：功能重要的大分子、或者大分子中功能重要的区域，比功能不重要的分子

16、或分子区域进化变化速度低。,RNA作为进化的指征,16S rRNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子尺”或“分子计时器”：,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区域，又有中度保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的各类生物亲缘关系的研究；,3）16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；,4）rRNA在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%)，也易于提取；,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)。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。,Carl Woese利用16SrRNA建立

17、分子进化树,微生物,（病毒）,细菌（Bacteria）古生菌（Archaea）,真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等,非细胞型,细胞型,原核微生物,真核微生物（Eukarya）,古生菌在进化谱系上与真细菌及真核生物相互并列，且与后者关系更近，而其细胞构造却与真细菌较为接近，同属于原核生物。,三域学说受到的挑战：,随着微生物的全基因组序列分析研究的深入，一些学者对Woese的学说提出了了质疑：1）16SrRNA或18SrRNA的分子进化很难代表整个基因组的分子进化；2）已知许多真核生物的基因组和其表达的功能蛋白不象Woese所说的接近古细菌，而是更接近于真细菌；等等但是，Woese

18、学说的意义并不在于目前所取得的某些结论，更重要的是它为进一步探讨生命的起源和进化，认识、研究和开发微生物资源提出了新的思路，使我们看到了揭开生命起源和进化之谜的曙光。,6、微生物分类鉴定的特征和技术,形态学特征、,生理学特征、,生态学特征,6.1 生物分类的传统指标：,形态学特征,培养特征、,运动性等等,特殊的细胞结构、,细胞形态及其染色特性、,是微生物分类和鉴定的重要依据之一：,a）易于观察和比较，尤其是真核微生物和具有特殊 形态结构的细菌；,b）许多形态学特征依赖于多基因的表达，具有相对 的稳定性；,生理生化特征,与微生物的酶和调节蛋白质的本质和活性直接相关；,代谢产物等,营养类型；,与氧

19、的关系；,对温度的适应性；,对pH的适应性；,对渗透压的适应性；,酶及蛋白质都是基因产物；,对微生物生理生化特征的比较也是对微生物基因组的间接比较；,测定生理生化特征比直接分析基因组要容易得多。这些特征包括：,常借助特异性的血清学反应来确定未知菌种、亚种或菌株。,生态特性,包括在自然界的分布情况，与其他生物有否寄生或共生关系,宿主种类及与宿主关系,有性生殖情况,生活史等。,血清学反应,6.2 核酸的碱基组成和分子杂交,特点：,与形态及生理生化特性的比较不同，对DNA的碱基组成的比较和进行核酸分子杂交是直接比较不同微生物之间基因组的差异，因此结果更加可信。,(1)DNA的碱基组成(G+Cmol%

20、),DNA碱基因组成是各种生物一个稳定的特征，即使个别基因突变，碱基组成也不会发生明显变化。,分类学上，用“G+C”占全部碱基物质的摩尔百分数(G+Cmol%)来表示各类生物的DNA碱基因组成特征。,每个生物种都有特定的GC%范围，因此后者可以作为分类鉴定的指标。细菌的GC%范围为25-75%，变化范围最大，因此更适合于细菌的分类鉴定。,GC%测定主要用于对表型特征难区分的细菌作出鉴定，并可检验表型特征分类的合理性，从分子水平上判断物种的亲缘关系。,使用原则：,每一种生物都有一定的碱基组成，亲缘关系近的生物，它们应该具有相似的GC%含量；若不同生物之间GC%含量差别很大，表明它们亲缘关系较远。

21、,但具有相似GC%含量的生物，却并不一定表明它们之间具有近的亲缘关系。,在疑难菌株鉴定、新种命名、建立一个新的分类单位时，GC%含量是一项重要的、必不可少的鉴定指标。,同一个种内的不同菌株GC%含量差别应在45%以下；同属不同种的差别应低于1015%；GC%含量已经作为建立新的微生物分类单元的一项基本特征指标，它对于种、属甚至科的分类鉴定有重要意义。,若2个在形态及生理生化特性方面极其相似的菌株，如果其GC%含量的差别大于5%，则肯定不是同一个种，大于15%则肯定不是同一个属。,其分类学意义主要是作为建立新分类单元的一项基本特征和把那些GC%含量差别大的种类排除出某一分类单元。,G+C%含量的

22、比较主要用于分类鉴定中的“否定”,(2)核酸的分子杂交,不同生物DNA碱基排列顺序的异同直接反映生物之间亲缘关系的远近，碱基排列顺序差异越小，它们之间的亲缘关系就越近，反之亦然。,核酸分子杂交(hybridization)间接比较不同微生物DNA碱基排列顺序的相似性,a）DNA-DNA杂交；,（亲缘关系相对近的微生物之间的亲缘关系比较）,b）DNA-rRNA杂交；,（亲缘关系相对远的微生物之间的亲缘关系比较）,c）核酸探针；,（利用特异性的探针，用于细菌等的快速鉴定）,(3)16SrRNA或18SrRNA的核酸序列分析,16SrRNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子尺”：,16SrRNA

23、的序列高度保守，可精确指示细菌之间的亲缘关系,16SrRNA的大小为1540bp左右，所含信息能反映生物界进化关系，易操作，适用于各级分类单元,目前常用的是建立在PCR技术基础上的16SrRNA基因的直接测序法，方便快捷。,菌种鉴定工作三部曲1、获得该微生物的纯培养2、测定一系列必要的鉴定指标3、查找权威性鉴定手册,7、微生物分类系统,伯杰氏鉴定细菌学手册(Bergeys Manual of Determinative Bacteriology),美国宾夕法尼亚大学的细菌学教授伯杰(D.Bergey)(1860-1937),1957年第七版后，由于越来越广泛地吸收了国际上细菌分类学家参加编写(

24、如1974年第八版，撰稿人多达130多位，涉及15个国家；现行版本撰稿人多达300多人，涉及近20个国家)，所以它的近代版本反映了出版年代细菌分类学的最新成果，因而逐渐确立了在国际上对细菌进行全面分类的权威地位。,7.1 细菌分类系统,伯杰氏系统细菌学手册(Bergeys Manual of Systematic Bacteriology),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的特征及进行鉴定所需做的实验的具体方法。,（20世纪80年代末期）,7.2 真菌分类系统,真菌界分类系统很多，各国采用不同的系统，比较混乱。近年来为较多人接受的是Ainsworth的纲要。,