微生物分类与鉴定工业微生物学课件
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微生物分类与鉴定工业微生 物学课件
本章内容
一、分类单元 二、命名规则 三、分类鉴定方法 四、微生物的分类系统
据保守估计，地球上 真菌约150万种，细菌4万种，病毒130万种 但认识的微生物仅是估计数量的5~10%，即15万~20万种
要认识、研究和利用类群庞大的微生物资源， 必须对它们进行分类。
分类学的具体任务有三个：
c）16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；
d）rRNA在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%)，也易于提取；
e）16SrRNA普遍存在于原核生物中(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。
分子计时器：
一些生物大分子（如16SrRNA或18SrRNA），其分子序列 的改变量与分子进化的时间成正比，因此，这些生物大分子 被作为分子计时器，真实记录了各种生物的进化过程。可通 过比较不同类群的生物大分子序列的改变量来确定它们彼此 系统发育的相关性或进化距离。
由于细菌分类单元的划分缺乏一个易于操作的统一标准， 为了减少因采用不同标准界定分类单元所造成的混乱， 细菌系统分类也像其他生物分类一样采用“模式概念”
种和亚种指定模式菌株（type strain）； 如：大量的豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum)菌
株中，只有菌株 USDA2370才是模式菌株。
双向电泳分离，确定rRNA寡核苷酸的指纹图谱
寡核苷酸序列分析（6个核苷酸以上）
编目，比较、计算和分析
确定菌株间的亲缘关系
rRNA作为进化和系统分类指征的优点：
a）rRNA具有重要且恒定的生理功能； b）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；
第一版（1923年）~ 第八版（1974年） ~ 第九版（1994年）
1984~1989年 改为《伯杰氏系统细菌学手册》，简称《系统手册》 (Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology) （第一版，分四卷）
第二版，分五卷
（根据系统发育资料，对分类单元进行了相当大的调整）
1. 原核生物分类系统
《伯杰氏鉴定细菌学手册》 (Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology)
美国宾夕法尼亚大学的细菌学教授伯杰(D.Bergey) 主编。 1957年第七版后，吸收了国际上细菌分类学家参加编写，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。
学名=属名 + 种名加词 + subsp 或 var + 亚种或变种的加词
斜体
正体（可省略） 斜体（不可省略）
三、微生物分类鉴定的方法
菌种鉴定步骤：
获得纯培养物 测定必要的鉴定指标 查找权威性的菌种鉴定手册
分类鉴定方法：
经典分类鉴定法 微生物遗传型的鉴定 细胞化学成分的鉴定 数值分类法
现代方法
（一） 经典分类鉴定法
根据Carl Woese的理论，现在还在界之上使用域(domain)，即： 古生菌域、细菌域、真核生物域。
图10-5 生命世界的系统发育树状图（Olsen & Woese 1993）
2. 种（species）
种是生物分类中基本的分类单元和分类等级。 微生物的种：指具有高度特征相似性的菌株群，这个菌株群 与其他类群的菌株有很明显的区别。
（1） DNA碱基比例的测定
测“GC比”：
(G+C ) mol% = （G+C ）/（A+T+ G+C ）× 100% 分类学上，用G+C占全部碱基的克分子百分数来
表示各类生物的DNA碱基组成特征。
DNA碱基组成是各种生物的一个稳定特征，即使 个别基因突变，碱基组成也不会发生明显变化。
GC%使用注意事项：
分类、 命名、 鉴定
分类(classification)：根据一定的原则(表型特征相似性或系 统发育相关性)对微生物进行分群归类，根据相似性或相关 性水平排列成系统，并对各个分类群的特征进行描述，以便 查考和对未被分类的微生物进行鉴定。
(根据现有数据建立系统的过程)
命名(nomenclature)：是根据命名法规，给每一个分类群一个专有 的名称。
API系统
“Enterotube” “Biolog”全自动和手动系统
（二） 现代分类鉴定方法
1. 数值分类法（统计分类法）
按大量表型性状的相似性程度进行统计、归类特点: 使用尽可能多的性源自，每个性状同等重要。步骤:
(1) 收集菌株，选择性状
(2) 性状编码
(3) 相似性计算: 计算相关系数Ssm或Sj：
菌株与型的区别： • 菌株之间不存在鉴别特征的差异，命名不同的菌株无需分类学依 据； • 不同型的细菌之间存在鉴别特征的差异，命名或鉴定不同的型必 需有分类学依据。
4）培养物：一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物， 如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物。
5）群：一个物种转变成另一个新物种，必然要经过一系列 的过度类型，因此在两个不同种微生物之间常出现一些介于 两个菌种之间的中间过度类群。通常将这两种微生物和介于 它们之间的微生物类群称为群。如大肠菌群。
第一卷：古生菌、蓝细菌、光合细菌以及最早分支的细菌 第二卷：变形杆菌（包括形态及生理学特征多样的革氏阴性菌） 第三卷：低G+C含量的革氏阳性菌 第四卷：高G+C含量的革氏阳性菌 第五卷：浮霉状菌、螺旋体、丝杆菌、拟杆菌和衣原体等
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。
同一个种内的不同菌株GC%含量差别应在4～5%以下；
同属不同种的差别应低于10～15%；
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，它对于种、属甚至科的分类鉴定有重要意义。
若二个在形态及生理生化特性方面及其相似的 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。
（4） 微生物全基因组序列测定
第一个古菌：詹氏甲烷杆菌 第一个细菌：流感嗜血杆菌 第一个真菌：酿酒酵母
3. 细胞化学成分用作鉴定的指标
细胞壁的化 学成分 全细胞水解 液的糖型 磷酸类脂成 分的分析 枝菌酸的分 析 醌类的分析 脂肪酸组成 和代谢产物 分析
好氧放线菌类的化学分类检索表
四. 分类系统
（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。
（3） rRNA序列同源性分析
三种方法： rRNA-DNA杂交、 rRNA寡核苷酸编目分析 rRNA基因序列分析（系统发育树状图）。
分析不同微生物16SrRNA或18SrRNA寡核苷酸序列 的同源性程度，以确定不同生物间的亲缘关系和进化 谱系。
二、微生物的命名
微生物名称： 俗名（common name） 学名（scientific name）
（1）学名国际命名法规： 双名法：属名 + 种名加词
属名在前，一般用拉丁文名词表示，字首字母大写 种名在后，常用拉丁文形容词表示，全部小写
一般用斜体表示
若所分离的菌株只鉴定到属而未鉴定到种，用 sp.（单数）或 spp.（复数）表示。 如：Bacillus sp.
Ssm=（a+c）/(a+b+c) 正负反应性状
Sj=a/(a+b+c)
正反应性状
Sj > 80~85% 种
Sj > 65% 属
(4)系统聚类
(5)聚类结果的表示
2. 微生物遗传型的鉴定
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。
经典鉴定指标： • 形态学特征 • 生理学特征 • 生态学特征 • 生活史，有性生殖情况 • 血清学反应 • 对噬菌体的敏感性 • 其他
形态和生理生化特征是最常用 的细菌分类、鉴定指标
在生物学表型为指标的传统方法，正在向微量化、 简便化、快速化、智能化的方向发展。目前，已有商品 化的鉴定系统，如：
当两个或多个学名排在一起时，若它们的属名 相同，则后面的属名可缩写成1个、2个或3个字母， 在其后加一个点。 如 ： Bacillus可缩写成“B.” 或“Bac.”
（2）在分类学文献中
学名=属名+种名+（首次定名人）+现名定名人+现名定名年份
必要（斜体）
可省略（正体）
（3）三名法
有亚种或变种时，学名由“三名法”构成
例如：抗原特征的差异，分为不同的血清型； 对噬菌体裂解反应的不同，分为不同的噬菌体型
3）菌株(strain)：从自然界中分离得到的任何一种微生物的纯培养 物都可以称为一个菌株；用实验方法(如通过诱变)所获得 的某一菌株的变异型，也可以称为一个新的菌株，以便与 原来的菌株相区别。
菌株是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体
鉴定(identification或determination)：借助于现有的微生物分类 系统，通过特征测定，确定未知的、或新发现的、或未明确分类 地位的微生物所应归属分类群的过程。
(根据现有系统确定未知微生物分类归属的过程)
一、分类单元
1. 种以上的系统分类单元
七级
界 门 纲 目 科
属
种（基本分类单元）
亚属和属指定模式种（type species）； 属以上至目级分类单元指定模式属（type genus）.
3.种以下的分类单元
1）亚种(subspecies)和变种(variety)：种内的不同菌株存在少 数明显而稳定遗传的变异特征 ，这种差异又不足以区分成新 种时，可以细分成亚种或变种。
2）型(form或type)：常指亚种以下的细分。当同种或同亚种 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。
a）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。
b）GC%测定主要用于对表型特征难区分的细菌作 出鉴定，从分子 水平上判断物种的亲缘关系。
c） GC%的比较，主要用于分类鉴定中的否定.
亲缘关系近的生物，它们应该具有相似的G+C含 量，但具有相似G+C含量的生物，并不一定表明它 们之间具有近的亲缘关系。
rRNA寡核苷酸编目分析的基本原理： 用一种RNA酶水解rRNA后，产生一系列寡核苷酸片段，如果两 种或两株微生物的亲缘关系越近，则其所产生的寡核苷酸片段的 序列也接近，反之亦然。
rRNA寡核苷酸编目分析实验方法：
提纯rRNA（32P标记） T1RNA 酶水解（专一性
水解G 上3’端磷酸酯键 ）
一系列寡核苷酸片段（长度不一以G为末端）
本章内容
一、分类单元 二、命名规则 三、分类鉴定方法 四、微生物的分类系统
据保守估计，地球上 真菌约150万种，细菌4万种，病毒130万种 但认识的微生物仅是估计数量的5~10%，即15万~20万种
要认识、研究和利用类群庞大的微生物资源， 必须对它们进行分类。
分类学的具体任务有三个：
c）16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；
d）rRNA在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%)，也易于提取；
e）16SrRNA普遍存在于原核生物中(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。
分子计时器：
一些生物大分子（如16SrRNA或18SrRNA），其分子序列 的改变量与分子进化的时间成正比，因此，这些生物大分子 被作为分子计时器，真实记录了各种生物的进化过程。可通 过比较不同类群的生物大分子序列的改变量来确定它们彼此 系统发育的相关性或进化距离。
由于细菌分类单元的划分缺乏一个易于操作的统一标准， 为了减少因采用不同标准界定分类单元所造成的混乱， 细菌系统分类也像其他生物分类一样采用“模式概念”
种和亚种指定模式菌株（type strain）； 如：大量的豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum)菌
株中，只有菌株 USDA2370才是模式菌株。
双向电泳分离，确定rRNA寡核苷酸的指纹图谱
寡核苷酸序列分析（6个核苷酸以上）
编目，比较、计算和分析
确定菌株间的亲缘关系
rRNA作为进化和系统分类指征的优点：
a）rRNA具有重要且恒定的生理功能； b）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；
第一版（1923年）~ 第八版（1974年） ~ 第九版（1994年）
1984~1989年 改为《伯杰氏系统细菌学手册》，简称《系统手册》 (Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology) （第一版，分四卷）
第二版，分五卷
（根据系统发育资料，对分类单元进行了相当大的调整）
1. 原核生物分类系统
《伯杰氏鉴定细菌学手册》 (Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology)
美国宾夕法尼亚大学的细菌学教授伯杰(D.Bergey) 主编。 1957年第七版后，吸收了国际上细菌分类学家参加编写，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。
学名=属名 + 种名加词 + subsp 或 var + 亚种或变种的加词
斜体
正体（可省略） 斜体（不可省略）
三、微生物分类鉴定的方法
菌种鉴定步骤：
获得纯培养物 测定必要的鉴定指标 查找权威性的菌种鉴定手册
分类鉴定方法：
经典分类鉴定法 微生物遗传型的鉴定 细胞化学成分的鉴定 数值分类法
现代方法
（一） 经典分类鉴定法
根据Carl Woese的理论，现在还在界之上使用域(domain)，即： 古生菌域、细菌域、真核生物域。
图10-5 生命世界的系统发育树状图（Olsen & Woese 1993）
2. 种（species）
种是生物分类中基本的分类单元和分类等级。 微生物的种：指具有高度特征相似性的菌株群，这个菌株群 与其他类群的菌株有很明显的区别。
（1） DNA碱基比例的测定
测“GC比”：
(G+C ) mol% = （G+C ）/（A+T+ G+C ）× 100% 分类学上，用G+C占全部碱基的克分子百分数来
表示各类生物的DNA碱基组成特征。
DNA碱基组成是各种生物的一个稳定特征，即使 个别基因突变，碱基组成也不会发生明显变化。
GC%使用注意事项：
分类、 命名、 鉴定
分类(classification)：根据一定的原则(表型特征相似性或系 统发育相关性)对微生物进行分群归类，根据相似性或相关 性水平排列成系统，并对各个分类群的特征进行描述，以便 查考和对未被分类的微生物进行鉴定。
(根据现有数据建立系统的过程)
命名(nomenclature)：是根据命名法规，给每一个分类群一个专有 的名称。
API系统
“Enterotube” “Biolog”全自动和手动系统
（二） 现代分类鉴定方法
1. 数值分类法（统计分类法）
按大量表型性状的相似性程度进行统计、归类特点: 使用尽可能多的性源自，每个性状同等重要。步骤:
(1) 收集菌株，选择性状
(2) 性状编码
(3) 相似性计算: 计算相关系数Ssm或Sj：
菌株与型的区别： • 菌株之间不存在鉴别特征的差异，命名不同的菌株无需分类学依 据； • 不同型的细菌之间存在鉴别特征的差异，命名或鉴定不同的型必 需有分类学依据。
4）培养物：一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物， 如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物。
5）群：一个物种转变成另一个新物种，必然要经过一系列 的过度类型，因此在两个不同种微生物之间常出现一些介于 两个菌种之间的中间过度类群。通常将这两种微生物和介于 它们之间的微生物类群称为群。如大肠菌群。
第一卷：古生菌、蓝细菌、光合细菌以及最早分支的细菌 第二卷：变形杆菌（包括形态及生理学特征多样的革氏阴性菌） 第三卷：低G+C含量的革氏阳性菌 第四卷：高G+C含量的革氏阳性菌 第五卷：浮霉状菌、螺旋体、丝杆菌、拟杆菌和衣原体等
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。
同一个种内的不同菌株GC%含量差别应在4～5%以下；
同属不同种的差别应低于10～15%；
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，它对于种、属甚至科的分类鉴定有重要意义。
若二个在形态及生理生化特性方面及其相似的 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。
（4） 微生物全基因组序列测定
第一个古菌：詹氏甲烷杆菌 第一个细菌：流感嗜血杆菌 第一个真菌：酿酒酵母
3. 细胞化学成分用作鉴定的指标
细胞壁的化 学成分 全细胞水解 液的糖型 磷酸类脂成 分的分析 枝菌酸的分 析 醌类的分析 脂肪酸组成 和代谢产物 分析
好氧放线菌类的化学分类检索表
四. 分类系统
（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。
（3） rRNA序列同源性分析
三种方法： rRNA-DNA杂交、 rRNA寡核苷酸编目分析 rRNA基因序列分析（系统发育树状图）。
分析不同微生物16SrRNA或18SrRNA寡核苷酸序列 的同源性程度，以确定不同生物间的亲缘关系和进化 谱系。
二、微生物的命名
微生物名称： 俗名（common name） 学名（scientific name）
（1）学名国际命名法规： 双名法：属名 + 种名加词
属名在前，一般用拉丁文名词表示，字首字母大写 种名在后，常用拉丁文形容词表示，全部小写
一般用斜体表示
若所分离的菌株只鉴定到属而未鉴定到种，用 sp.（单数）或 spp.（复数）表示。 如：Bacillus sp.
Ssm=（a+c）/(a+b+c) 正负反应性状
Sj=a/(a+b+c)
正反应性状
Sj > 80~85% 种
Sj > 65% 属
(4)系统聚类
(5)聚类结果的表示
2. 微生物遗传型的鉴定
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。
经典鉴定指标： • 形态学特征 • 生理学特征 • 生态学特征 • 生活史，有性生殖情况 • 血清学反应 • 对噬菌体的敏感性 • 其他
形态和生理生化特征是最常用 的细菌分类、鉴定指标
在生物学表型为指标的传统方法，正在向微量化、 简便化、快速化、智能化的方向发展。目前，已有商品 化的鉴定系统，如：
当两个或多个学名排在一起时，若它们的属名 相同，则后面的属名可缩写成1个、2个或3个字母， 在其后加一个点。 如 ： Bacillus可缩写成“B.” 或“Bac.”
（2）在分类学文献中
学名=属名+种名+（首次定名人）+现名定名人+现名定名年份
必要（斜体）
可省略（正体）
（3）三名法
有亚种或变种时，学名由“三名法”构成
例如：抗原特征的差异，分为不同的血清型； 对噬菌体裂解反应的不同，分为不同的噬菌体型
3）菌株(strain)：从自然界中分离得到的任何一种微生物的纯培养 物都可以称为一个菌株；用实验方法(如通过诱变)所获得 的某一菌株的变异型，也可以称为一个新的菌株，以便与 原来的菌株相区别。
菌株是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体
鉴定(identification或determination)：借助于现有的微生物分类 系统，通过特征测定，确定未知的、或新发现的、或未明确分类 地位的微生物所应归属分类群的过程。
(根据现有系统确定未知微生物分类归属的过程)
一、分类单元
1. 种以上的系统分类单元
七级
界 门 纲 目 科
属
种（基本分类单元）
亚属和属指定模式种（type species）； 属以上至目级分类单元指定模式属（type genus）.
3.种以下的分类单元
1）亚种(subspecies)和变种(variety)：种内的不同菌株存在少 数明显而稳定遗传的变异特征 ，这种差异又不足以区分成新 种时，可以细分成亚种或变种。
2）型(form或type)：常指亚种以下的细分。当同种或同亚种 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。
a）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。
b）GC%测定主要用于对表型特征难区分的细菌作 出鉴定，从分子 水平上判断物种的亲缘关系。
c） GC%的比较，主要用于分类鉴定中的否定.
亲缘关系近的生物，它们应该具有相似的G+C含 量，但具有相似G+C含量的生物，并不一定表明它 们之间具有近的亲缘关系。
rRNA寡核苷酸编目分析的基本原理： 用一种RNA酶水解rRNA后，产生一系列寡核苷酸片段，如果两 种或两株微生物的亲缘关系越近，则其所产生的寡核苷酸片段的 序列也接近，反之亦然。
rRNA寡核苷酸编目分析实验方法：
提纯rRNA（32P标记） T1RNA 酶水解（专一性
水解G 上3’端磷酸酯键 ）
一系列寡核苷酸片段（长度不一以G为末端）