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第10章微生物的进化`系统发育和分类鉴定

第10章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定
重点、难点剖析

学习本章的目的是:①掌握有关微生物分类学的一些基本概念,了解分类学目前的整体发展水平;②认识生物大分子被用作系统发育研究的原理,rRNA,尤其是16(18)SrRNA被挑选作为主要研究对象的原因;③掌握分类命名的基本常识,认识分类鉴定特征的分类学意义,了解分类鉴定方法的发展;④了解"伯杰氏手册"的分类概况,重点是知道运用包括"手册"在内的分类学资料,选择适当的特征测定方法进行微生物分类鉴定。
1.rRNA序列与微生物系统发育、系统树及三域理论的提出。仅仅根据表型特征来推测微生物的进化谱系和进行系统分类其结果往往是不够准确的。在当代,主要是通过分析和比较微生物大分子的一级结构特征,即比较蛋白质、RNA或DNA的分子序列特征作为判断微生物进化谱系和进行系统分类的主要特征。通过比较大分子序列进行谱系分析的理论基础是:这些大分子序列进化变化的显著特点是进化速度相对恒定。这就意味着,分子序列进化的改变量(氨基酸或核苷酸的替换数或替换百分率)与分子进化的时间成比例。因此,我们就可以通过比较不同类群生物大分子序列的改变量来确定它们系统发育相关性或进化距离。
目前,把rRNA特别是16(18)SrRNA作为微生物系统发育研究的主要对象,主要是因为:①它普遍存在于各类原核和真核生物中,在生物进化历程中,其功能重要而稳定,而且在分子中存在高度保守序列区域又有中度保守和高度变化的序列区域,这样就有利于对亲缘关系远近不同的各类生物进行比较;②相对分子质量大小适中,这样在技术上既便于序列测定也有利于序列资料的比较分析。
目前,主要用全序列分析法测序,取得原始的序列资料,然后用计算机进行排序,使所比较的分子序列同源位点一一对应,并两两进行比较,统计两序列同源位点之间碱基的异(不匹配)同(匹配)数值。通常用相似性系数或表示距离的数值来表示微生物之间亲缘关系的远近,还可以通过寻找印迹序列来进行分类鉴定。构建系统树是系统学的重要任务。伍斯等根据16(18)SrRNA序列比较所绘制的、涵盖所有生物各大门类的"全生命"系统树,是近年这一领域有影响的重要成果。我们应看懂这个图,但不能认为这就是最后结论,一方面它只是根据对一些代表生物的研究提出的,随着研究的进一步扩展和深入,还会进一步修改;另方面,也许生物的系统发生比目前我们所认识的要复杂得多。
三域理论是伍斯通过16(18)SrRNA序列比较提出的,随后其他方面的研究也在一定程度上

支持了这一理论,目前已得到较广泛的认同。将古生菌与细菌分开单独作为一域,除了因为它们的16SrRNA缺乏作为细菌特征的那些序列外,它们还具有下列突出特征区别于细菌:①细胞壁无胞壁酸;②有醚键分支链的膜脂;③tRNA的T或TΨС臂没有胸腺嘧啶;④特殊的RNA聚合酶;⑤核糖体的组成和形状也不同。古生菌具有与细菌和真核生物相似的特征又具有显著区别的特征。因而认为,在生物进化的历史中,它们是根源深远的一支进化主干。
2. 菌株、种及命名模式。在涉及微生物菌种的工作中,操作实体不是"种"而是菌株。同一种不同菌株的某些生物学性状(其中有的性状可能对生产或研究十分重要)往往有重要区别。所以,我们不仅仅要注意种名,还应注意菌株名称。种作为分类的基本单元是应用极其广泛的概念,对于缺乏有性生殖的细菌(原核生物),其物种的定义不能用高等生物所用的"生殖隔离"的标准来界定。种的学名用双名法命名,即由:属名+种名加词两部分构成,这就决定了任何一个种在系统分类中一定归属于某一个属。亚种名为三元式组合,由种的学名加上亚种名加词构成。按命名法规,要求每一个种都应指定一个菌株为"模式菌株",所以,最初被鉴定为该种的菌株通常就被指定为该种的模式菌株,后来可能有许多菌株经鉴定属于这个种,用同一种名。因此,"模式菌株''并不一定是该种中最典型、最有代表性的菌株。属内指定模式种也有类似情况。
3."伯杰氏手册"是目前对细菌进行全面分类最权威的文献。《伯杰氏鉴定细菌学手册》(Bergey's Manual of Determinative Bacteriology)自1923年第一版问世以后,1974年出到第八版(有中译本),1984--1989年间陆续发行新版本,并把书名改为《伯杰氏系统细菌学手册》(Bergey's Manual of Systematic Bacteriology)第一版,分4卷出版。1994年又将"系统手册"第一版4卷中有关属以上分类单元的分类鉴定资料经少量修改补充后汇集成一册,仍用原书名出版,故又称《伯杰氏鉴定细菌学手册》第九版,其出版宗旨是供鉴定细菌用。该书最新版本--《伯杰氏系统细菌学手册》(以下简称"系统手册")第二版分5卷将陆续出版。
"系统手册"第一版将细菌33组,在4卷中的安排是:
第一卷1~11组,包括一般的、医学、工农业上重要的革兰氏阴性细菌。
第二卷12-17组,包括放线菌以外的革兰氏阳性细菌。
第三卷18-25组,包括光合细菌、蓝细菌、古细菌及其他革兰氏阴性细菌。
第四卷26-33组,包括能形成菌丝体的放线菌。

"系统手册"第二版与其第一版比较,最大的变化是在很大程度上根据系统发育资料而

不是表型特征对分类单元进行了相当大的调整,它将细菌分成两个域共25门39纲,纲以下通常也都进行了系统分类。其分类在5卷中的安排如下 :
第一卷 古生菌、蓝细菌、光合细菌以及最早分支的细菌。
第二卷 变形杆菌(包括形态及生理学特征极其多样的革兰氏阴性细菌)
第三卷 低G+c含量(50mol甲。以下)的革兰氏阳性细菌。
第四卷 高G+c含量(50mo1%以上)的革兰氏阳性细菌(包括放线菌及相关的革兰氏阳性细菌)。
第五卷 浮霉状菌、螺旋体、丝杆菌、拟杆菌和衣原体等(属革兰氏阴性细菌)。
请注意各大类群细菌的分类在"系统手册"中的安排,以便在需要时查阅。
4.分类鉴定的特征及技术方法。微生物分类鉴定特征可分两大类:表型特征及遗传型特征,应了解这些特征及相关的测定方法,明确其分类学意义。
(1) 传统分类鉴定常用的表型特征及抗原特征。
形态学 群体生长(培养)特征:最重要的是菌落特征 作为鉴定
特征 个体形态特征:形状、大小、排列、特殊细胞结构及内含物 和表型分
革兰氏及抗酸性染色体、运动性等 类的主要
营养类型、对碳、氮源的利用,对生长因素的需要 依据,也
生理 需O2性,对温度、PH、盐浓度的适应性,对抗菌剂敏感性 作为系统
生化 特殊的代谢产物 分类的参
特征 产生某些酶,如氧化酶、过氧化氢酶等 考特征
与宿主的关系:寄生、共生、致病性
抗原特征--血清学反应,主要用于种内血清型的划分,在医学上有重要意义。对噬菌体敏感性--噬菌体裂解试验,主要用于种内噬菌体分型,鉴定中应用相对较少。
(2)现代分类鉴定常用的遗传型特征见表12-1。
表12-1 现代分类学鉴定常用的遗传型特征
特 征 测定方法 分类学意义 DNA碱基组成:
(G+C)m01% 常用:热变性温度法和浮力密度法 亲缘关系近的生物c+c含量应相似,作为建立分类单元的一项基本特征,把c+c含量差别大的成员排除出分类单元之外 核酸杂交:
DNA-DNA
DNA-rRNA
核酸探针 常用i团相杂交法、复性速率法,类似DNA-DNA杂交测定、菌落原位杂交 荧光顶位杂交(FISH) 主要用于种、属水平的分类鉴定,通常认为同源性70%以上为同种,同源性在20%-30%以上为同一属;主要用于亲缘关系较远(属和属以上)分类单元的分类鉴定;根据操针的特异性,可用于不同等级分类单元或菌株的分类鉴定 遗传重组 通过转化、转导或接合试验 发生同源重组说明亲缘关系密切,但著不发生则无定论 蛋白质:氨基酸顺

序、指纹图 蛋白质序列测定
电泳图谱分析 主要用于系统发育研究,同源程度越高亲缘关系越近。由于测序和资料比较分析较困难,目前微生物资料有限蛋白质指纹相似、亲缘关系近。主要用于种和种以下的分类鉴定 现代微生物快速鉴定技术的发展,除了在有关章节介绍的微生物学及现代免疫学分析鉴定技术外,较突出的还有3个方面:一是微量多项试验鉴定系统,实际上这是经过加工并商品化生产销售的各种简易微量生理生化试验系统,其优点主要是简便、经济,不需复杂、昂贵的实验设备和技术条件,在目前有推广价值二是利用现代仪器设备或专门设计制造的仪器进行微生物鉴定或检测,这些仪器应用的原本原理都是根据微生物以下3个方面或其中的某一方面的特征:①不同类群有不同的细胞化学结构和组成;②不同类群有不同的代谢过程和代谢产物;③不同类群对生活环境产生不同的影响。现代仪器设备虽然可能具有快建准确、自动化等优点,但通常技术要求高,价格昂贵,目前难以普及;三是计算机技术在微生物分类鉴定中的应用。这方面除了用于数值分类之外,它对于大量分类鉴定资料的贮存、分析处理和自动输出等方面发挥了巨大的作用,这也使分类和鉴定检索过程实现自动化成为可能。但是计算机不能代替人工进行特征测定取得原始资料的操作过程。
几种微生物快速检测仪的原理和主要用途见表12-2。
表12-2 现代分类鉴定常用的遗传型特征
名称 测量的厚理 主要用途 阻抗测定仪(impedance) 微生物代谢中将培养基的电惰性底物代谢成电恬性产物,从而导电性增大,电阻抗降低。不同微生物代谢活性各不相同,因而阻抗变化也不相同 微生物的快速鉴定,尤其是菌血症、菌尿症诊检,细菌的快速计数,药敏感性的快速测定 放射测量仪
(radiometric) 微生物生长繁殖过程中可利用培养基中加有14c标记的底物,代谢产生14CO2,测量,14C02的含量,确定微生物的状况 食物和水中微生物的快速检查,微生物代谢的研究,菌种鉴定 微量量热 (microcalorimimeter) 微生物生命活动过程中均能产生代谢热,不同的微生物或不同的底物产生可重复的特征性热"指纹图" 微生物的快速鉴定,临床标本的诊捡,培养基最适成分的评价 生物发光测量仪
(bioluminescence) 荧光素酶与还原荧光素.在一定条件下,与微生物的ATP作用,则会产生光。光量的多少与各微生物的特性和数量有关 微生物数量的快速测定,环境污染生物量的测定,药敏检测 药敏自动测定
(pharmceuticalsensitivity) 微生物悬液中所含菌量与照射光产生的光散射值成正比,它

可作为徽生物群体对药物敏感性的特征指数 抗菌药物敏感性的快速测定,微生物的快速鉴定 自动微生物检测仪
(auto microbic system,即AMS) 利用光电扫描装置测量微生物生理生化反应特性和药敏状况。根据数码分类鉴定法的原理,进行计算机处理,快速地全自动打印出检测的结果 快速、全自动对微生物同时或分别进行鉴定、计数和药敏试验,而且可以直接用样晶检测,不用分离出微生物再用来鉴定





主要参考书目
1.卢振祖.细菌分类学.武汉:武汉大学出版社,1994.1-74,324~339
2.Prescott L M,Harley J P,Klein D A.微生物学.第5版.中文版.沈萍,彭珍荣主译.北京:高等教育出版社,2003.428-455,A29-43
3. 张昀.生物进化.北京:北京大学出版社,1998.142~154,207-227
第12章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定 149
4,Modigan M T,Martinko J M,ParkerJ.Brock Biology Of Microorganism.10th ed.Englewood Cliffs:Prentice Hall,2003.322~350
(卢振祖)






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