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最新微生物分类鉴定

第三节微生物的分类鉴定方法

一、微生物鉴定的依据

获得纯化的微生物分离菌株后,首先判定是原核微生物还是真核微生物,这实际上在分离过程中所使用的方法和选择性培养基已经决定了分离菌株的大类的归属,从平板菌落的特征和液体培养的性状都可加以判定。然后,如是原核微生物,便可根据表14-3 所示的经典分类鉴定指标进行鉴定,如条件允许,可做碳源利用的BIOLOG-GN 分析和16S rDNA 序列分析。多项结果结合起来确定分离菌株的属和种。

表14-3 微生物经典分类鉴定方法的指标依据

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二、微生物鉴定的技术与方法

根据目前微生物分类学中使用的技术和方法,可把它们分成四个不同的水平:①细胞形态和行为水平,②细胞组分水平,③蛋白质水平,④基因组水平;

在微生物分类学发展的早期,主要的分类鉴定指标是以在细胞形态和习性为主,可称为经典的分类鉴定法。其他三种实验技术主要是60 年代以后采用的,称为化学分类和遗传学分类法,这些方法再加上数值分类鉴定法,可称为现代的分类鉴定方法。

(一)、经典分类鉴定法

经典分类法是一百多年来进行微生物分类的传统方法。其特点是人为地选择几种形态生理生化特征进行分类,并在分类中将表型特征分为主、次。一般在科以上分类单位以形态特征、科以下分类单位以形态结合生理生化特征加以区分。最后,采用双歧法整理实验结果,排列一个个的分类单元,形成双歧检索表(图14-4 )。

A. 能在60 o C 以上生长

B. 细胞大,宽度1.3~1.8mm ……………………………………… 1. 热微菌属

( Thermomicrobium )

BB. 细胞小,宽度0.4~0.8mm

C. 能以葡萄糖为碳源生长

D. 能在pH4.5 生长…………………………………………… 2. 热酸菌属

( Acidothermus )

DD. 不能在pH4.5 生长………………………………………………… 3. 栖热菌属( Thermus )

CC. 不能以葡萄糖为唯一碳源……………………… 4. 栖热嗜油菌属( 栖热嗜狮菌

属Thermoleophilum )

AA. 不能在60 o C 以上生长

图14-4 双歧法检索表例样

应用BIOLOG-GN 仪检测分离菌株对众多碳源的利用情况判断分离菌株的分类地位,近年来也时有应用。在BIOLOG-GN 仪上有96 个小孔,其中95 孔内分装有95 种不同碳源的缓冲液,1 孔为无碳源的缓冲液对照,各孔接入适宜菌浓度和液量的分离菌株培养物,定温培养,每日定时读取BIOLOG-GN 仪计算机上各碳源利用情况,一般为时1 周,BIOLOG-GN 仪可显示出该鉴定菌株的最可能归属。

(二)、数值分类法

又称阿德逊氏分类法() 。它的特点是根据较多的特征进行分类,一般为50 ~60 个,多者可达100 个以上,在分类上,每一个特性的地位都是均等重要。通常是以形态、生理生化特征,对环境的反应和忍受性以及生态特性为依据。最后,将所测菌株两两进行比较,并借用电子计算机计算出菌株间的总相似值,列出相似值矩阵( 图14-5) 。为便于观察,应将矩阵重新安排,使相似度高的菌株列在一起,然后将矩阵图转换成树状谱(dendrogram)( 图14-6) ,再结合主观上的判断( 如划分类似程度大于85 %者为同种,大于65 %者为同属等) ,排列出—个个分类群。

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图14-5 显示 6 个细菌菌株的遗传相似矩阵图

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图14-6 根据相似矩阵图转换的相似关系树状谱

数值分类法的优越性在于它是以分析大量分类特征为基础,对于类群的划分比较客观和稳定;而且促进对细菌类群的全面考查和观察,为细菌的分类鉴定积累大量资料。但在使用数值分类法对细菌菌株分群归类定种或定属时,还应做有关菌株的DNA 碱基的G + Cmol% 和DNA 杂交,以进一步加以确证。

(三)、化学分类法

微生物分类中,根据微生物细胞的特征性化学组分对微生物进行分类的方法称化学分类法(chemotaxonomy) 。在近二十多年中,采用化学和物理技术采研究细菌细胞的化学组成,已获得很有价值的分类和鉴定资料,各种化学组分在原核微生物分类中的意义见表

14-4 。

表14-4 细菌的化学组分分析及其在分类水平上的应用

细胞成份分析内容在分类水平上的作用

细胞壁肽聚糖结构种和属

多糖

胞壁酸

膜脂肪酸种和属

极性类脂

霉菌酸

类异戊二烯苯醌

蛋白质氨基酸序列分析属和属以上单位

血清学比较

电泳图

酶谱

代谢产物脂肪酸种和属

全细胞成分分析热解—气液色谱分析种和亚种

热解—质谱分析

随着分子生物学的发展,细胞化学组分分析用于微生物分类日趋显示出重要性。细胞壁的氨基酸种类和数量现己被接受为细菌属的水平的重要分类学标准。在放线菌分类中,细胞壁成分和细胞特征性糖的分析作为分属的依据,已被广泛应用。脂质是区别细菌还是古菌

的标准之一,细菌具有酰基脂( 脂键) ,而古菌具有醚键脂,因此醚键脂的存在可用以区分古菌。霉菌酸的分析测定己成为诺卡氏菌形放线菌分类鉴定中的常规方法之一。鞘氨醇单胞菌和鞘氨醇杆菌等细胞膜都含有鞘氨醇,因此鞘氨醇的有无可作为此类细菌的一个重要标志。此外某些细菌原生质膜中的异戊间二烯醌,细胞色素,以及红外光谱等分析对于细菌、放线菌中某些科、属、种的鉴定也都十分有价值。

(四)、遗传学分类法

分子遗传学分类法是以微生物的遗传型( 基因型) 特征为依据,判断微生物问的亲缘关系,排列出一个个的分类群。目前较常使用的方法有:

1 、DNA 中G+C mol% 分析

每一个微生物种的DNA 中GC mol% 的数值是恒定的,不会随着环境条件、培养条件等的变化而变化,而且在同一个属不同种之间,DNA 中GCmol% 的数值不会差异太大,可以某个数值为中心成簇分布,显示同属微生物种的GC mol% 范围。DNA 中GC mol% 分析主要用于区分细菌的属和种,因为细菌DNA 中GC 含量的变化范围一般在25 %~75 %;而放线菌DNA 中的GC 比例范围非常窄(37 %~51%) 。一般认为任何两种微生物在GC 含量上的差别超过了10 %,这两种微生物就肯定不是同一个种。因此可利用G+C mol %来鉴别各种微生物种属间的亲缘关系及其远近程度。值得注意的是,亲缘关系相近的菌,其G+C mol %含量相同或者近似,但G+C mol %相同或近似的细菌,其亲缘关系并不一定相似,这是因为这一数据还不能反映出碱基对的排列序列,而且如放线菌的DNA 的GC mol% 在37 ~51 之间,企图在这么小的范围内区分放线菌的几十个属显然是不现实的。要比较两种细菌的DNA 碱基对排列序列是否相同,以及相同的程度如何,就需做核酸杂交试验。

2 、DNA-DNA 杂交

DNA 杂交法的基本原理是用DNA 解链的可逆性和碱基配对的专一性,将不同来源的DNA 在体外加热解链,并在合适的条件下,使互补的碱基重新配对结合成双链DNA ,然后根据能生成双链的情况,检测杂合百分数。如果两条单链DNA 的碱基顺序全部相同,则它们能生成完整的双链,即杂合率为100% 。如果两条单链DNA 的碱基序列只有部分相同,则它们能生成的“双链”仅含有局部单链,其杂合率小于100% 。由此;杂合率越高,表示两个DNA 之间碱基序列的相似性越高,它们之间的亲缘关系也就越近。如两株大肠埃希氏菌的DNA 杂合率可高达100 %,而大肠埃希氏菌与沙门氏菌的DNA 杂合率较低,约有70 %。G+Cmol %的测定和DNA 杂交实验为细菌种和属的分类研究开辟了新的途径,解决了以表观特征为依据所无法解决的一些疑难问题,但对于许多属以上分类单元间的亲缘关系及细菌的进化问题仍不能解决。

3 、DNA — rRNA 杂交

目前研究RNA 碱基序列的方法有两种。一是DNA 与rRNA 杂交,二是16S rRNA 寡核苷酸的序列分析。DNA 与rRNA 杂交的基本原理、实验方法同DNA 杂交一样,不同的是①是DNA 杂交中同位素标记的部分是DNA ,而DNA 与rRNA 杂交中同位素标记的部分是rRNA 。②DNA 杂交结果用同源性百分数表示,而DNA 与rRNA 杂交

结果用Tm(e) 和RNA 结合数表示。Tm(e) 值是DNA 与rRNA 杂交物解链一半时所需要的温度。RNA 结合数是100 m gDNA 所结合的rRNA 的m g 数。根据这个参数可以作出RNA 相似性图。在rRNA 相似性图上,关系较近的菌就集中到一起。关系较远的菌在图上占据不同的位置。用rRNA 同性试验和16SrRNA 寡核苷酸编目的相似性比较rRNA 顺反子的实验数据可得到属以上细菌分类单元的较一致的系统发育概念,并导致了古细菌的建立。

4 、16S rRNA(16S rDNA) 寡核苷酸的序列分析

首先,16S rRNA 普遍存在于原核生物(真核生物中其同源分子是18S rRNA )中。rRNA 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保持不变,可看作为生物演变的时间钟。其次,在16S rRNA 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。第三,16S rRNA 的相对分子量大小适中,约1 540 个核苷酸,便于序列分析。因此,它可以作为测量各类生物进化和亲缘关系的良好工具。

分离菌株16S rRNA 基因的分离较为简单。从平板中直接挑取一环分离菌株细胞, 加入100μL 无菌重蒸H 2 O 中, 旋涡混匀后, 沸水浴2min, 12 000r min -1 离心5min, 上清液中即含16S rRNA 基因,可直接用于PCR 扩增。分离菌株16S rRNA 基因的PCR 扩增和序列测定的一般步骤为:16S rRNA 基因的PCR 引物:5'-AGAGT TTGAT CCTGG CTCAG-3' ;5'-AAGGA GGTGA TCCAG CCGCA-3' 。扩增反应体积50 m L ,反应条件为95 ℃预变性5min ,94 ℃变性1min ,55 ℃退火1min ,72 ℃延伸2min ,共进行29 个循环,PCR 反应在PTC-200 型热循环仪上进行。取 5 m L 反应液在10g L -1 的琼脂糖凝胶上进行电泳检测。PCR 产物测序可由专门技术公司完成。

测序得到分离菌株16S rDNA 部分序列,此序列一般以*.f.seq 形式保存,可以用写字板或Editsequence 软件打开,将所得序列通过Blast 程序与GenBank 中核酸数据进行比对分析( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast ) ,具体步骤如下:点击网站中Nucleotide BLAST 下Nucleotide-nucleotide BLAST [blastn] 选项,将测序所得序列粘贴在“ search ”网页空白处,或输入测序结果所在文件夹目录,点击核酸比对选项,即“ blast ”,然后点击“ format ”,计算机自动开始搜索核苷酸数据库中序列并进行序列比较,根据同源性高低列出相近序列及其所属种或属,以及菌株相关信息,从而初步判断16S rDNA 鉴定结果。

遗传距离矩阵与系统发育树构建,可采用DNAStar 软件包中的MegAlign 程序计算样本间的遗传距离。由GenBank 中得到相关菌株的序列,与本研究分离菌株所测得序列一起输入Clustalx1.8 程序进行DNA 同源序列排列,并经人工仔细核查。在此基础上,序列输入Phylip3.6 软件包,以简约法构建系统发育树。使用Kimura 2-parameter 法,系统树各分枝的置信度经重抽样法(Bootstrap )500 次重复检测,DNA 序列变异中的转换和颠换赋于相同的加权值。

第一章微生物检验常规鉴定技术

课堂教学计划(1学时)

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第一章微生物检验基本知识

包括显微镜、染色技术、培养基制备技术、接种、分离纯化和培养技术等。

接种、分离纯化和培养技术

一、接种

将微生物接到适于它生长繁殖的人工培养基上或活的生物体内的过程叫做接种。

1、接种工具和方法

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接种和分离工具

1.接种针 2.接种环 3.接种钩 4.5.玻璃涂棒 6.接种圈 7.接种锄 8.小解剖刀

常用的接种方法有以下几种:

1)划线接种这是最常用的接种方法。即在固体培养基表面作来回直线形的移动,就可达到接种的作用。常用的接种工具有接种环,接种针等。在斜面接种和平板划线中就常用此法。

2)三点接种在研究霉菌形态时常用此法。此法即把少量的微生物接种在平板表面上,成等边三角形的三点,让它各自独立形成菌落后,来观察、研究它们的形态。除三点外,也有一点或多点进行接种的。

3)穿刺接种在保藏厌氧菌种或研究微生物的动力时常采用此法。做穿刺接种时,用的接种工具是接种针。用的培养基一般是半固体培养基。它的做法是:用接种针蘸取少量的菌种,沿半固体培养基中心向管底作直线穿刺,如某细菌具有鞭毛而能运动,则在穿刺线周围能够生长。

4)浇混接种该法是将待接的微生物先放入培养皿中,然后再倒入冷却至45°C左右的固体培养基,迅速轻轻摇匀,这样菌液就达到稀释的目的。待平板凝固之后,置合适温度下培养,就可长出单个的微生物菌落。

5)涂布接种与浇混接种略有不同,就是先倒好平板,让其凝固,然后再将菌液倒入平板上面,迅速用涂布棒在表面作来回左右的涂布,让菌液均匀分布,就可长出单个的微生物的菌落。

6)液体接种从固体培养基中将菌洗下,倒入液体培养基中,或者从液体培养物中,用移液管将菌液接至液体培养基中,或从液体培养物中将菌液移至固体培养基中,都可称为液体接种。

7)注射接种该法是用注射的方法将待接的微生物转接至活的生物体内,如人或其它动物中,常见的疫苗预防接种,就是用注射接种,接入人体,来预防某些疾病。

8)活体接种活体接种是专门用于培养病毒或其它病原微生物的一种方法,因为病毒必须接种于活的生物体内才能生长繁殖。所用的活体可以是整个动物;也可以是某个离体活组织,例如猴肾等;也可以是发育的鸡胚。接种的方式是注射,也可以是拌料喂养。

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