沈萍微生物原版PPT 第11章

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）
真核生物起源的内共生学说及现代实验证据
最原始的生命
漫长的进化历程
"The ultimate scientific goal of biological classification cannot be achieved in the case of bacteria,"
-------------The
Microbial World. (the second edition )
从进化论诞生以来，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、进化指征的选择
（参见P314）
70年代以前，生物类群间的亲缘关系判断的主要根据：
表型特征：
形态结构、 生理生化、 行为习性，等等
少量的化石资料
原核生物的特点：
（参见P314）
形体微小、
他们的结果建议，许多共有的基因在其他真核细菌中丢失了，在进化率不同的生 物体中有变化，采样大小的不同对结果也有影响。在一篇相关的研究评述中， JanO. Andersson和Camilla L. Nesbo进一步讨论了这些发现。 报告：Microbial Genes in the Human Genome: Lateral Transfer or Gene Loss?, by Steven L. Salzberg, et al. 研究评述：Are There Bugs in Our Genome?, by Jan O. Andersson and Camilla L. Nesbo
第11章
微生物的进化、系统发育和分类鉴定
生物技术系 陈向东
大约46亿年前，地球形成；
（参见P313）
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
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。
二、RNA作为进化的指征
（参见P315）
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；
2001年5月18日 美国《科学》周刊292卷 第5520期 人类基因组中的细菌基因？
一项新的研究指出，在我们体内的每个细胞中有40个左右的细菌基因，而不是 早先报告的113到233个。这个由细菌到人类寄主的所谓的“横向转移(lateral transfer)”给进化生物学带来了极大的问题，它可能意味着直到现在细菌可能一 直在为其自身利益操纵着人类的基因组。 Steven L. Salzberg和他的同事们与过去的研究人员一样，将人类基因组和已经测 序的真核细菌基因组做比较，来识别同时在人类和细菌中出现的“细菌到脊椎动 物转移”的基因(bacteria to vertebrate transfers,简称BVTs)。Salzberg的小组分析的 数据包括了塞莱拉的基因组序列和过去没有被分析过的寄生物谱系的蛋白，但 他们排除了在序列还没有完全测出的真核细菌中有变异的基因。
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 before 90 90~95
96~99
涉及水平基因转移（horizontal gene transfer）的文献大量增加
第二节 细菌分类
（参见P320）
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。
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。
（参见P316）
利用16SrRNA建立分子进化树的美国科学家
Carl Woese
三、rRNA和系统发育树
1. rRNA的顺序和进化 培养微生物 rRNA序列测定
（参见P315）
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）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，
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
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
（参见P来自百度文库21）
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。）
（参见P321）
常用的细菌分类学术语：
（参见P321）
16 S r RNA系统发育树
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)
界（Kingdom）
（1977，Carl Woese）
域（domain）
Bacteria(细菌) 原核生物 Archaea(古生菌) Eukarya(真核生物)
（1990，Carl Woese）
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；
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；
(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；
(分类系统建立过程中的步骤之一)
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)
提取并纯化rRNA
分析比较
微生物之间的系统发育关系
（参见P317）
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。
（参见P317）
3. 系统发育树(phylogenetic tree)
（参见P317）
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。
------------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 （参见P314）
1）在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。
六、七十年代：
（参见P314）
分析和比较生物大分子的结构特征，特别是
蛋白质、RNA和DNA这些反映生物基因组特征
的分子序列，作为判断各类微生物乃至所有
分子计时器(molecular chronometers)
进化钟(evolutionary clock)
1. 生物大分子作为进化标尺依据 （参见P314）
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。
“Taxonomists' counts suggest that insects dominate the diversity game, but new analyses reveal that microbes are the real winners.”
结构简单、
缺少有性繁殖过程，
化石资料凤毛麟角
（参见P314）
根据形态学特征推断微生物之间的亲缘关系的缺点：
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；
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；
虽然根据少量表型特征来推测各类微生物的亲缘 关系而提出的许多分类系统，都随着时间的推移 而不断地被否定了。
三界理论虽然是根据16SrRNA序列的比较提出的，
但其他特征的比较研究结果也在一定程度上支持
了三界生物的划分。
具体内容自学！
Carl Woose的rRNA进化树完美无缺？
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。
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。
生物分类的二种基本原则：
（参见P313）
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。
（参见P372）
不可培养微生物（uncultured microorganisms）
从环境中直接分离并克隆rRNA并分析其序列和在分子进化树 上的位置等方法而发现的的目前尚不能在人工条件下获得培养的微 生物。
参见P372：不可培养的微生物与生物多样性
3）三（界)域生物的主要特征
（参见P319）
C. B. van Niel of Stanford University's Hopkins Marine Stati Roger Stanier of the University of California, Berkeley,
The bacteria simply could not be phylogenetically ordered.
（参见P313）
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。
（参见P313）
系统发育(phylogeny)：各类生物进化的历史。