第十一章微生物的分类

第十一章微生物的分类 现代的微生物分类学，已从原有的按微生物表型进行分类的经典分类学发展到按它们的亲缘关系和进化规律进行分类的微生物系统学阶段。分类学的具体任务是分类、鉴定和命名。

第一节微生物的分类单元 一、种以上的分类单元界、门、纲、目、科、属、种二、种的概念及命名微生物的种是一个基本分类单元，它是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近、与同属内的其他物种有着明显差异的一大群菌株的总称。在微生物中，一个种只能用该种内的一个典型菌株当作它的具体代表，此菌株维该种的模式种。

微生物种的学名表示方法有双名法和三名法 1、双名法属名＋种名加词＋（首次定名人）＋现名定名人＋现名定名年份大肠埃希氏菌Escherichia coli (Migula) Castellani et Chalmers 1919 2、三名法属名＋种名加词＋符号subsp或var＋亚种或变种的加词苏云金芽孢杆菌蜡螟亚种Bacillus thuringiensis (subsp) galleria

三、种以下的分类单元 1、亚种：是进一步细分种时所用的单元，一般指除某一明显而稳定的特征外，其余鉴定特征都与模式种相同的种。 2、菌株：它表示任何由一个独立分离的单细胞（或单个病毒粒）繁殖而成的纯遗传型群体及其一切后代。因此微生物的每一不同来源的纯培养物均可称为某菌种的一个菌株。如：E.coli K12 、 E.coli O-157:H7等

第二节微生物在自然界的地位 一、三域学说及其发展细菌域古生菌域真核生物域细菌、古生菌与真核生物若干重要特征的比较

第三节各大类微生物的分类系统纲要 一、《伯杰氏手册》简介 1923年美国出版了一部原核生物分类体系的权威著作，名为《伯杰氏鉴定细菌学手册》(Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology) ，此部著作一直再版至今已出版了11个版本，编写人员由最初的美国学者D.Bergey等人进一步国际化和扩大化。 1980年代初起，该手册组织了国际上20余国的300多位专家，合作编写了4卷本的新手册，书名改为《伯杰氏系统细菌学手册》(Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology)，此书是目前国际上最为流行的实用版本。

第三节微生物分类鉴定的方法 一、微生物分类鉴定中的经典方法 1、微生物分类鉴定的工作步骤（1）获得该微生物的纯培养物（2）测定一系列必要的鉴定指标（3）查找权威性的菌种鉴定手册

不同的微生物往往有自己不同的重点鉴定指标。如：在鉴定形态特征较丰富、细胞体积较大的真菌等微生物时，常以形态特征为主要指标；在鉴定放线菌和酵母菌时，往往形态特征与生理特征兼用；而在鉴定形态特征较单调的细菌时，须使用较多的生理、生化和遗传等指标；在鉴定属于非细胞生物类的病毒时，除使用电子显微镜和各种生化、免疫等技术外，还要使用致病性等一些独特的指标和方法。

2、经典的鉴定指标 形态个体：细胞、大小、排列、运动性、特殊构造和染色反应等群体：菌落形态，在半固体或液体培养基中的生长状态营养要求：能源、碳源、氮源、生长因子等酶：产酶种类和反应特性等经典鉴生理、生化反应代谢产物：种类、产量、颜色和显色反应等定指标对药物的敏感性生态特性：生长温度、与氧、pH、渗透压的关系，宿主种类，与宿主关系等生活史，有性生殖情况血清学反应对噬菌体的敏感性其他

3、国内外常见的自动快速鉴定系统 由于致人、畜疾病和植物病害的微生物种类的不断增加，以及经济的发展，人们对食品、日化、环境等行业微生物要求的不断提高，传统的用单个试验来鉴定微生物不仅工作量十分浩大，而且对技术熟练度的要求也很高，因此，出现了以数值分类为基础的鉴定系统，使细菌鉴定简易化、微量化和快速化。目前，有关细菌鉴定的系统应用得较多的国外的鉴定系统，主要有法国的API；美国的Biolog；Enterotube等。

(1)、API（Analytic Products Inc）鉴定系统 由法国生物-梅里埃集团（bio-Merieux）生产，设计了不同的项目与底物组合，ATB是将API鉴定电脑化，该系统有许多种类各有相应的数据库，可鉴定出不同数目的细菌，鉴定后可根据鉴定的可信度（％id）作出评价：％id ≥99.9“最佳的鉴定” excellent ％id 99.0～99.8“很好的鉴定”very good ％id 90.0～98.9“好的鉴定”good ％id 80.0～89.9“可接受的鉴定”acceptable ％id 79.9以下“低分辨率”low discrimination

API系统已为国内外微生物学家所公认，并为许多实验室普遍选用，适用于API系统鉴定的细菌有700多种，由于具有自动、快速、高效的特点，可广泛应用于医药、临床、兽医、食品、水质测定、环境保护、药物生产、发酵、生物工程、动植物检疫、API系统已为国内外微生物学家所公认，并为许多实验室普遍选用，适用于API系统鉴定的细菌有700多种，由于具有自动、快速、高效的特点，可广泛应用于医药、临床、兽医、食品、水质测定、环境保护、药物生产、发酵、生物工程、动植物检疫、生态学和土壤学等研究，特别适合于快速、大量的菌株鉴定。

（2）、“Enterotube”系统 由美国的Roche公司生产又称肠管系统，适合于肠道细菌的鉴定。

（3）、Biolog细菌鉴定系统 由美国安普科技中心（ATC US）生产，可鉴定1千多种微生物。

二、微生物分类鉴定中的现代方法 1、rRNA测序是一种通过分析原核或真核细胞中最稳定的寡核苷酸序列同源性程度，以确定不同生物间的亲缘关系和进化谱系的方法。 rRNA测序的优点：（1）它们普遍存在于一切细胞内，不论是原核生物和真核生物，因此可比较它们在进化中的相互关系；（2）它们的生理功能既重要又恒定；（3）在细胞中的含量较高、较易提取；（4）编码rRNA 的基因十分稳定；（5）rRNA的某些核苷酸序列非常保守，虽经30余亿年的进化历程仍能保持其原初状态；（6）相对分子质量适中。尤其是16S rRNA和18S rRNA不但核苷酸数适中，而且信息量大、易于分析，故成了理想的研究材料。

三、数值分类法 数值分类法是依据数值分析的原理，对生物按表型性状的相似性程度进行统计、归类的方法。数值分类的基本步骤为：（1）计算2菌株间的相关系数（2）列出相似度矩阵（3）将矩阵图转换成树状谱

进行数值分类时，首先明确被分类的单位，如菌株、种、属等，每一个分类单位被称为“运算的分类单位”（Operational Taxonomic Units，缩写为OTU）或操作分类单位，在多数情况下，OUT是指菌株。而性状的选择，是用于确定数值分类的性状，包括形态学、生理学、生物化学以及生态学等许多方面的特征。把性状转化为计算机所能识别、运算的符号，即为性状编码, 再根据一定的方法计算各个菌株间的相似值或相似度系数，再对相似值进行聚类，在同一水平的各个OUT总体为一类。因此，事实上，数值分类得到的是表观群或表元。

第十一章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定

第十一章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定 • 第一节绪论 • 第二节进化的测量指征 • 第三节细菌分类 • 第三节微生物分类鉴定的特征和技术

第一节绪论 • 地球大约是在45亿年前形成的。地质学、古生物学和地球化学直接或间接证据都表明： • 大约在地球形成10亿年之后，我们这个星球开始出现生命，主要是些类似简单杆状细菌的原始生物。但在同期的、另外一些被认为是由光合微生物与沉积物形成的片层状化石——叠层石（stromatolites），它们类似于绿硫细菌和多细胞丝状细菌，这些原始生命大概都是厌氧型的。 • 含有产氧型光合细菌——蓝细菌的层叠石则发现于25-30亿年前的地质年代中，蓝细菌的出现，给地球带来了氧气。而后，各种真核生物才随之出现。

第一节绪论 • 根据现代生物进化论观点： • 所谓进化（evolution）是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）就指的是研究各类微生物进化的历史。

第一节绪论 科学家估计有分类纪录的各类物种大约有150万，其中微生物超过10万种，而且其数目还在不断增加。微生物学工作者要认识、研究和利用微生物或控制有害微生物，必须对它们进行分类（classification）。

第一节绪论 • 对生物进行分类存在两种基本的、截然不同的分类原则： • 一是根据表型(phenetic)特征的相似成都分群归类，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； • 第二种分类原则是要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。

第一节绪论 因此，以进化论为指导思想的分类学(taxonomy)，其目的已经不仅仅是物种的识别和归类，其主要目标是通过追溯系统发育，推断进化谱系，这样的分类学也称之为生物系统学(syatematics)。

第一节绪论 分子生物学的发展，使我们不仅可以根据表型特征，而且可以从分子水平上，通过研究和比较微生物乃至整个生物界的基因型特征来探讨生物的进化、系统发育和进行分类鉴定。

第二节进化的测量指征 • 20世纪70年代以前，生物类群间的亲缘关系主要是根据形态结构、生理生化、行为习性等表型特征以及少量的化石资料来判断它们之间的亲缘关系。 • 直到60—70年代，有识之士才清醒地认识到：仅依靠表型特征无法解决微生物的系统发育问题，必须寻找新的特征作为生物进化的指征。

一、进化指征的选择 • 根据形态学特征推断生物之间的亲缘关系存在两个突出问题： • 一是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； • 二是形态特征在不同类群众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。

一、进化指征的选择 20世纪70年代以后研究为生物的系统发育，主要是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生物进化关系的主要特征。

一、进化指征的选择 • 为了准确确定各种生物之间的进化关系，还必须挑选恰当的大分子来进行序列研究。在挑选大分子时应注意以下几点： • ①它必须普遍存在于所研究的各个生物类群中。如果我们所研究的是整个生命界的进化，那么所选择的分子必须在所有生物中存在，这样才便于分析和比较。

一、进化指征的选择 • ②选择在各种生物中功能同源的大分子。催化不同反应的酶的氨基酸序列或者具有不同功能核酸的核苷酸序列不能进行比较，因为功能不相关的分子也意味着进化过程中来源不同，对这一类不相关分子进行比较也不期望他们会表现出序列的相似性。 • 所以，大分子进化的研究必须从鉴定大分子的功能开始。

一、进化指征的选择 • 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还应注意根据所比较的各类生物之间的进化距离来选择适当的分子序列。

二、rRNA作为进化的指征 大量的实验研究表明：在众多的生物大分子中，最适合于揭示各类生物亲缘关系的是rRNA,尤其是16SrRNA。16SrRNA所以被普遍公认是一把好的谱系分析的“分子尺”，这是因为：

二、rRNA作为进化的指征 • ①rRNA参与生物蛋白质的合成过程，其功能是任何生物都必不可少的，而且在生物进化的漫长历程中，其功能保持不变； • ②在16SrRNA分子中，即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；

二、rRNA作为进化的指征 • ③16SrRNA相对分子质量大小适中，便于序列分析； • ④16SrRNA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）。

三、rRNA的顺序和进化 rRNA序列测定和分析方法分两类：寡核苷酸编目法和全序列分析法。1.寡核苷酸编目分析法 20世纪80年代以前的研究,主要是采用寡核苷酸编目分析法。

三、rRNA的顺序和进化 2.全序列分析法 • 寡核苷酸编目分析法，只获得了16SrRNA分子的大约30%的序列资料，加上采用的是一种简单相似性的计算方法，所以其结果有可能出现误差，应用上受到一定限制。 • 随着核算序列分析技术的发展，20世纪80年代末又陆续发展了一些rRNA全序列分析方法，其中最常用的是直接序列分析法。 • 这种方法用反转录酶和双脱氧序列分析，可以对未经纯化的rRNA抽提物进行直接的序列测定。

四、系统发育树 • 在研究生物进化和系统分类中，常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，这种树状分枝的图型被称为系统发育树（phylogenetic tree），简称系统树。 • 通过比较生物大分子序列差异的数值构件的系统树称为分子系统树。 • 图型中，分枝的末端和分枝的连接点称为结（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。

五、三界生物的主要特征 根据形态和生理特征把地球上的生物分为动物界和植物界的理论，统治了生物学100多年，20世纪60年代主要根据细胞核的结构把生物分为原核生物和真核生物两大类。

五、三界生物的主要特征 1.生命中的第三种形式将生物分成三界（Kingdom）（后来改称三个域）：古细菌、真细菌（Eubacteria）和真核生物（Eukaryotes）。1990年，他为了避免把古细菌也看作是细菌的一类，又把三界（域）改称为Bacteria（细菌）、Archaea(古生菌)和Eukarya（真核生物），并构建了三界（域）生物的系统树（图12-3）。

五、三界生物的主要特征 2.三（界）域生物的主要特征三界理论虽然是根据16Sr RNA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。

第三节细菌分类 • 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他们进行分类。 • 分类学内容涉及三个相互依存又有区别的组成部分：分类、命名和鉴定。

第三节细菌分类 • 分类（classification）是根据一定的原则（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，以便考察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；

第三节细菌分类 • 鉴定（identification或determination）则是指借助于现有的微生物分类系统，通过特征测定，确定未知的、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。

第三节细菌分类 一.分类单元及其等级界Kingdom 门Phylum——亚门纲Class——亚纲目Order——亚目科Family——亚科属Genus 种Species

第十一章 微生物的分类