第十一章

第十一章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定

大约46亿年前，地球形成；

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。

系统发育(phylogeny)：各类生物进化的历史。

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10万种，而且其数目还在不断增加。

生物分类的二个基本原则：

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。从进化论诞生以来，这一原则已经成生物学家普遍接受的分类原则

生物系统学(systematics)。

第一节 进化的测量指征

一、对生物类群间的亲缘关系进行判断的主要依据

七十年代以前:表型特征(形态结构、生理生化、行为习性等等)和少量的化石资料。

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； 微生物的特点：形态小、结构简单、缺少有性繁殖，化石资料少。

七十年代后：蛋白质、DNA 和RNA 的结构特征

分子计时器(molecular chronometers)

进化钟(evolutionary clock)

进化(evolution)：生物在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。

1.生物大分子作为进化标尺依据

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。

a）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。

2.作为进化标尺的生物大分子的选择原则

1）所需研究的种群范围内，它必须是普遍存的。

2）在所有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。

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）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。

二、rRNA和系统发育树

1. rRNA的顺序和进化

培养微生物提取并纯化rRNA rRNA分析比较

2. 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。

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。3. 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分子系统树，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。图型中，分枝的末端和分枝的连结点称为结(node)，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。

美国科学家Carl Woese利用16SrRNA建立分子进化树。

1）生命的第三种形式——古生菌

2）建立16 S r RNA系统发育树的意义

第二节 细菌分类

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；

命名(nomenclature)：是根据命名法规，给每一个分类群一个专有的名称。

1）生命的第三种形式——古生菌

动物界和植物界

原核生物和真核生物（20世纪60年代）

古细菌(archaebacteria) 真细菌(Eubacteria) 真核生物

(Eukaryotes)

（1977，Carl Woese ）

Bacteria(细菌) Archaea(古生菌) Eukarya(真核生物)

（1990，Carl Woese ） 原核生物

界（Kingdom ）

域（domain ） 2）建立16 S r RNA 系统发育树的意义

a ）使生物进化的研究范围真正覆盖所有生物类群；

传统的生物进化研究，主要基于复杂的形态学和化石记载，因此多

限于研究后生生物(metazoa)，而后者仅占整个生物进化历程的1/5

b ）提出了一种全新的正确衡量生物间系统发育关系的方法；

c ）对探索生命起源及原始生命的发育进程提供了线索和理论依据；

d ）突破了细菌分类仅靠形态学和生理生化特性的限制，建立了全

新的分类理论；

e ）为微生物生物多样性和微生物生态学研究建立了全新的研究理

论和研究方法，特别是不经培养直接对生态环境中的微生物进

行研究。

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。

一、分类单元及其等级

界、门、纲、目、科、属、种等。

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。

菌株是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体。

3）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。

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必需有分

类学依据。

二、微生物的命名

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。

如：铜绿色假单胞菌Pseudomonas aeruginosa

属名种加词

名词：单数、形容词（形、数、格）

主格、名词（主格、所有格）

形容词（名词型）

若所分离的菌株只鉴定到属，而未鉴定到种，可用sp.来表示，例如：Bacillus sp.

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）；

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）；

模式菌株应送交菌种保藏机构保藏，以便备查考和索取。

第三节细菌分类鉴定的特征和技术

生物分类的传统指标：形态学特征；生理学特征；生态学特征。

其它指标：血清学试验；噬菌体分型；核酸的碱基组成和分子杂交；氨基酸顺序和蛋白质分析；遗传重组。

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。

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

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；

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；与氧的关系；对温度的适应；

对pH的适应性；对渗透压的适应性；代谢产物等。

二、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

同一个种内的不同菌株G+C含量差别应在4～5%以下；同属不同种的差别应低于10～15%；G+C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G+C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。

例如：80年代以前螺菌属(Spirillum)不同种的G+C含量范围宽达38～66%，后来“伯杰氏手册”(1984)结合其他特征已将其分成三个属：螺菌属、海洋螺菌属

(Oceanospirillum)和水螺菌属(Aquaspirillum)它们G+C含量分别为38%、42～51%

和49～66%；

过去根据形态学特征曾认为微球菌属(Micrococcus)和葡萄球菌属(Staphylococcus)是关系很近的两个属，因而长期放在一个科内，由于G+C含量的差异(分别为30～38%和64～75%)表明它们亲缘关系相当远，现在根据16SrRNA序列资料已进行新的调整。在疑难菌株鉴定、新种命名、建立一个新的分类单位时，G+C含量是一项重要的、必不可少的鉴定指标。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G+C 含量差别大的种类排除出某一分类单元。G+C含量的比较主要用于分类鉴定中的否定。2）核酸的分子杂交

核酸探针：利用特异性的探针，用于细菌等的快速鉴定。

3）血清学试验4）噬菌体分型

第二节伯杰氏手册

《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。

《伯杰氏系统细菌学手册》(Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology)（20世纪80年代末期）

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。

思考题

1.为什么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？你知道有哪些项目已被用于

细菌学分类和鉴定？

2.为什么能用生物大分子作为衡量生物进化的标尺？有哪些选用原则？建立

16 S r RNA系统发育树的意义何在？

3．细菌命名采用的是什么方法？试举例说明。