微生物的进化、系统发育和分类鉴定

微生物的种：具有高度特征相似性的菌株群，这个菌株群与其 他类群的菌株有明显的区别。
二、微生物的命名
命名：给予菌种一个科学名称。菌种的学名是 按照《国际细菌命名法规》命名的国际学术 界公认，并通用的名称。
双名法，由二个拉丁字或希腊字或拉丁化了的其它文字
组成，一般用斜体表示
属名在前，一般用拉丁字名词表示，字首字母大写 种名在后，常用拉丁文形容词表示，全部小写
不同分为不同的噬菌型等
菌株与型的区别：
菌株之间不存在鉴别性特征的差异，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性特征的差异，命名或鉴定不同的型 高等生物中，“生殖隔离”被看作是区分物种的标准 必需有分类学依据。
4）种（species）： 物种，生物分类中基本的分类单元和分类等级。
高等生物中，“生殖隔离”被看作是区分物种的标准
分类(classification)：根据生物特性的特征的相似程度 将其分群归类。
地球上的物种估计大约有150万，其中微生物超过15万种， 而且其数目还在不断增加。
生物分类的二种基本原则 a）根据表型(phenetic)特征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，建立反映生物系 统发育的分类系统。
第二节 细菌分类
分类是认识客观事物的一种基本方法。我们要认识、 研究和利用各种微生物资源也必须对它们进行分类。
分类学涉及三个相互依存又有区别的组成部分：
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；
第十章 微生物的系统发育和分类鉴定
第一节 进化的测量指征 第二节 细菌分类命名概述 第三节 细菌分类鉴定技术
地球形成，大约46亿年前；
大约35亿年前，通过“前生命的化学进化”过程；
地球上开始出现生命，主要是些类似简单杆状 细菌的原始生物。
漫长的进化历程
千姿百态的生物种类
形成于35亿年前的微生物化石
形成于8.5亿年前的微生物化石
主要是些类似简单杆状细菌的原始生物
20亿年前以后的岩石中的微生物的化石形态多样性明显增多
形 成 于 10 亿 年 前 的 微 生 物 化 石
形态上非常类似于现代的蓝细菌， 进行不产氧光合作用的光能自养 菌，及化能无机营养的硫细菌。
形态上类似于现代的绿藻（真核生物）
最原始的生命
三、rRNA和系统发育树
1. rRNA的顺序和进化
培养微生物
提取总的DNA作为模板 PCR反应扩增16SrDNA片段
rDNA序列测定 分析比较
微生物之间的系统发育关系
特征序列或序列印记（signature sequence）
通过对r RNA全序列资料的分析比较（特别是采用计算 机）发现的在不同种群水平上的特异特征性寡核苷酸序 列，或在某些特定的序列位点上出现的单碱基印记。
各种微生物形成的菌落特征
菌落或菌苔是对微生物进行分类和鉴定的重要依据。
电镜下的大肠杆菌（示鞭毛）
二、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；
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；
营养类型；
伯杰氏手册
《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)(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 (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。
特征序列有助于迅速确定某种微生物的 分类归属，或建立新的分类单位。
2. 系统发育树(phylogenetic tree)
通过比较生物大分子序列差异的数值构建的系统树称为系统发育树， 其特点是用一种树状分枝的图型来概括各种(类)生物之间的亲缘关 系。
分枝的末端和分枝的连接点称为结，代表生物类群，分枝末端的 结代表仍生存的种类。系统树可能有时间比例，或者用两个结之 间的分枝长度变化来表示分子序列的差异数值。
(根据现有系统确定未知微生物分类归属的过程)
主要以细菌为例介绍微生物分类、命名和鉴定的有关知识
一、分类单元及其等级
界
门
纲
目
科 属
种
根据Carl Woese的 理论，现在还在界 之上使用域(domain)
（把全部生物先分为 古生菌域、细菌域和 真核生物域， 域下面再分界。）
常用的细菌分类学术语：
1）培养物(culture)：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、摇瓶培养物等。
2）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
称为微生物的一个菌株；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。
在现代微生物分类中，任何能稳定地反映微生物种类特征的资料， 都有分类学意义，都可以作为分类鉴定的依据。
一、形态学特征
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 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；
漫长的进化历程
千姿百态的生物种类
今天仍生存在地球上的生物种类， 彼此之间都有或远或近的历史渊源。
进化(evolution)：生物与其生存环境相互作用过程中， 其遗传系统随时间发生一系列不可逆的改变，在大多 数情况下，导致生物表型改变和对生存环境的相对适应。
系统发育(phylogeny)：各类生物进化的历史。
形态和生理生化特征是最常用 的细菌分类、鉴定指标
在以实用为主要目的表型分类中，生理生化特征往往是细菌分类鉴 定的主要特征。肠道菌科细菌属和种的分类鉴定就是如此。
不同微生物的不同重点鉴定指标
霉菌等形体较大的真菌——以形态特征为主 放线菌和酵母菌——形态和生理特征并用 细菌——形态、生理、生化遗传等指标 病毒——电子显微镜、生化、免疫、致病性
Carl Woese
1 生物大分子作为进化标尺依据
为什么蛋白质、RNA和DNA序列可以作为进化的分子计时器？ 进化速率恒定 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。 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， ------------处在同一进化水平上。
二、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” 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）16S rRNA的基因（16S rDNA）在细胞中含量大（约占细胞中RNA 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。
与氧的关系；
与盐的关系； 对温度的适应性； 对渗透压的适应性； 代谢产物和代谢途径等 对pH的适应性；
代谢产物和代谢途径等： 抗生素敏感性实验； 碳源利用实验； 糖发酵实验；
由此产生的生化试验还有：甲基红试验(methyl red test,简称MR试验）、乙酰甲基甲醇试验(VP试验）、 靛基质试验（吲哚试验）、硫化氢试验、硝酸盐还原 试验、过氧化氢酶试验、氧化酶试验、过氧化氢酶试 验等。
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；
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；
六、七十年代以后：
分析和比较生物大分子（蛋白质、RNA和DNA）的结构特征。
分子计时器 进化钟
判断各类微生物乃至所有生物的进化关系
利用16SrRNA建立分子进化树的美国科学家
细菌鉴定的主要步骤：
1、获得微生物的纯培养物； 2、测定一系列必要的指标；
3、查找权威性鉴定手册，确定细菌分类地位。
从不同层次(细胞的、分子的)，用不同学科(化学、物理
学、遗传学、免疫学、分子生物学等)的技术方法来研 究和比较不同微生物的细胞、细胞组分或代谢产物，从中 发现的反映微生物类群特征的资料。
2 作为进化标尺的生物大分子的选择原则
1）在所研究的种群范围内，它必须是普遍存在的 2）在所有的物种中该分子的功能是相同的 3）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所选择的分子序列必须 能严格线性排列，以便进行进一步的分析比较
4）分子上序列的改变（突变）频率应与进化的测量尺度相适应
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或分子区域进化变化速度低。
随着越来越多的微生物的全基因组序列的测定，人们发现
生物在进化中存在着非常广泛的水平基因转移现象，很多 科学家都认为不能仅靠对16SrRNA的序列比较来确定生物 之间的亲缘关系，还必须借助各种信息对这个进化树进行 改进。