第10章 微生物进化分类

和高度变化的序列区域。 （3）16S rRNA分子量大小适中，便于序列分析。
（4）与真核生物中的18S rRNA同源
4、16S rRNA序列的顺序和进化
序列测定
分析比较
微生物之间的系统发育关系
2
微生物间16S rRNA序列变化量越大，亲缘关系越远。
16 S rRNA系统发育树
用核酸探针特异性检测寡核苷酸序列
大量蛋白（催化功能）
简单发酵产能
RNA（遗传编码） 原始进化生物
DNA
蛋白质
Fe2+ 细胞色素
卟啉环 Mg2+
菌绿素
Ni2+ Co2+
四吡咯 类咕啉
RNA 36亿年前原核生物
无氧呼吸细菌 不产氧光合细菌 产乙酸、甲烷古生菌
25亿年前原核生物
叶绿素a 产氧光合蓝细菌
有氧环境
好氧细菌
蓝细菌
真核
蛋白质
RNA
第十章 微生物进化、系统发育
和分类鉴定
第一节 进化与系统发育
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。
系统发育(phylogeny)：生物进化的历史
生命演化
一、微生物是地球生物演化中的先锋种类
利用16S rRNA建立分子进化树的美国科学家
Carl Woese
5、 特征序列或寡核苷酸印迹（signature sequence）
通过对16S rRNA全序列资料的分析比较（特别是采用计算机）, 发现在不同种群水平上特异的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迹。
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。
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。为什么?
3、16S rRNA是最佳生物进化的指征分子
16S rRNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子尺” （1）rRNA普遍存在、并具有重要且恒定的生理功能。 （2）在16S rRNA分子中，含有高度保守、中度保守序列区域
同种
16SrRNA序列相同97％以上
பைடு நூலகம்
2、亚种（supspecies)
“种内某些菌株与其它菌株有少数明显而稳定的变异特征，但又 不足以区分成新种，可定为亚种。
3、型（form or type）
亚种下分类术语，亚种内菌株间差异不足以定为新亚种，称 为型。
表面抗原不同分为不同血清型。 致病性不同，肺炎链球菌分为R型和S型。
46亿年前地球形成：100℃以上，无水，无氧 生物大分子形成并稳定存在，但未形成生物体
大约40－42亿年前地球：变凉，液态水存在 生命体产生的速度加快
36－41亿年前：最早的生命形式存在
脂蛋白泡囊
极少量蛋白（原始酶类） RNA（遗传编码与催化） 原始生物
简单无机化能营养 （FeCO3、H2S、FeS等无机物氧化产能）
蛋白质、RNA和DNA可作为进化的分子计时器 (molecular chronometers)、进化钟(evolutionary clock)
2、作为进化标尺的生物大分子的选择原则
（1）在所需研究的种群范围内，它必须是普遍存在。 （2）在所有物种中该分子的功能相同。 （3）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所
第二节 微生物分类
微生物分类学（Microbial taxonomy）
研究微生物分类理论和技术方法的学科。
微生物分类 (classification)
根据微生物表型特征相似性或系统发育相关性原则，对微生物 分群归类，排列成系统，并对分类群特征进行描述，以便查考和对 未被分类的微生物进行鉴定。
3
一、微生物分类的三项任务
原始真核生物
内共生
15亿年前现代真核生物
1
形
成
于
二、生物进化的测量指征
1亿0
1、能标示生物进化的指征分子
年 前
原始生物在23亿年的进化中，形成了约十万种微生物
的
微
生
物
化
石
形成于8.5亿年前的微生物化石 形成于35亿年前的微生物化石
主要是些类似简单杆状细菌的原始生物
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。
拉丁文双命名法，属名在前、种名在后。
四、细菌分类和伯杰氏手册
国际上最权威的细菌分类系统是“伯杰氏手册”
第三节 微生物分类鉴定特征和新技术
一、分类鉴定特征
1、表型特征
形态学特征、生理生化特征、血清学分型、噬菌体分型、细胞组分 （壁多糖、脂肪酸）分析。 2、系统进化相关特征
蛋白质序列分析，G+C mol%分析，DNA－DNA杂交同源性分析， 16S rRNA序列分析。
DNA—rRNA杂交
遗
传
学
分
DNA-DNA杂交
类
法
16S rRNA(16S rDNA) 寡核苷酸的序列分析
小结:
微生物进化与系统发育 微生物分类 微生物分类鉴定的新技术
5
菌株（strain）
从自然界分离的任何一种微生物纯培养物即称菌株。 Bacillus subtilis As1.398 产生蛋白酶菌株 Bacillus subtilis BF7658 生产淀粉酶菌株 Xanthomonas campestris N.K-01；NRRL B-1459
三、分类单元命名
二、微生物快速鉴定和自动化分析技术
1、微量多项试验鉴定系统 根据微生物生理生化特征鉴定的结果，而进行的数码分类鉴定。
4
2、微生物细胞组分和代谢产物仪器分析
蛋白质或同功酶的指纹图谱 全细胞脂肪酸气相色谱图谱
“吹口气查胃病”
O
幽门螺杆菌
H2N C13 NH2
尿素酶 13 CO2 + 2NH3
（受检者口服少量尿素） （人体无该酶） （受检者呼出的气体）
1、建立分类进化系统 2、分类鉴定 3、微生物命名
微生物分类的二种基本原则：
1）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。
2）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，生物学家普遍接受的分类原则 微生物系统学(systematics)
二、分类单元与等级
国际公认的分类等级：界、门、纲、目、科、属、种
1、种（species）
“分类的基本单位，具有高度特征相似性的菌株群，这个菌 株群较其它菌株群有很明显的区别。
种内菌株群：
表型特征高度相似
DNA杂交同源性60％以上
3、现代分子生物学和免疫学技术
核酸杂交、PCR 、 16S rRNA序列分析、各类免疫技术。
放线菌16S rRNA高度特异序列： “CUAAAACUCAAAG”
蓝细菌16S rRNA高度特异序列： “AAUUUUYGG”
*如何用核酸探针进行检测？
免疫凝集吸附反应
计算机数值分类
核酸杂交
基因组杂交
DNA中 G+C mol%分析
形态上类似于现代的绿藻（真核生物）
细菌化石
用微生物化石直接揭示其进化关系是不可能的。
进化历程清晰刻划在蛋白质、 RNA 、 DNA等与遗传变异 系统相关的分子序列中。
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，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。