第十章 微生物进化分类

第十章第十章微生物的进化、系统发育和分类鉴定第一节概述进化(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。生命演化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)第二节微生物是地球生物演化中的先锋种类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：昀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（FeCO3、H2S、FeS等无机物氧化产能）简单无机化能营养大量蛋白（催化功能）RNA（遗传编码）原始进化生物简单发酵产能36亿年前原核生物RNADNA蛋白质卟啉环细胞色素菌绿素四吡咯类咕啉Fe2+Mg2+Ni2+Co2+无氧呼吸细菌不产氧光合细菌产乙酸、甲烷古生菌叶绿素a产氧光合蓝细菌25亿年前原核生物有氧环境好氧细菌蓝细菌原始真核生物RNA蛋白质真核15亿年前现代真核生物内共生第三节生物进化的测量指征一、能标示生物进化的指征分子原始生物在23亿年的进化中，形成了约十万种微生物形成于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成于8.5亿年前的微生物化石形成于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）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、DNA、RNA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。蛋白质、RNA和DNA可作为进化的分子计时器(molecularchronometers)、进化钟(evolutionaryclock)二、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。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。三、16SrRNA是昀佳的生物进化的指征分子16SrRNA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，含有高度保守、中度保守序列区域和高度变化的序列区域。3、16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；4、和真核生物中的18SrRNA同源四.16SrRNA序列的顺序和进化培养微生物提取并纯化16SrRNA序列测定分析比较微生物之间的系统发育关系微生物间16SrRNA序列变化量越大，亲缘关系越远。利用16SrRNA建立分子进化树的美国科学家CarlWoese16SrRNA系统发育树五、特征序列或寡核苷酸印迹（signaturesequence）通过对16SrRNA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。用核酸探针（probe）特异性检测寡核苷酸序列六、三界域生物主要特征比较自学！第四节微生物分类微生物分类学（Microbialtaxonomy）：研究微生物分类理论和技术方法的学科。一、微生物分类的三项任务1、建立分类进化系统2、分类鉴定3、微生物命名二、分类单元与等级国际公认的分类等级：界、门、纲、目、科、属、种有亚等级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16SrRNA序列相同97％以上同种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（formortype）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亲型。致病性不同，肺炎链球菌分为R型和S型。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。BacillussubtilisAs1.398产生蛋白酶菌株BacillussubtilisBF7658生产淀粉酶菌株XanthomonascampestrisN.K-01；NRRLB-1459三、分类单元命名拉丁文双命名法，属名在前、种名在后。四、细菌分类和伯杰氏手册国际上昀权威的细菌分类系统是“伯杰氏手册”第五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+Cmol%分析，DNA－DNA杂交同源性分析，16SrRNA序列分析二、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”CNH2H2NO13CO213+2NH3幽门螺杆菌尿素酶（人体无该酶）3、现代分子生物学和免疫学技术核酸探针、核酸杂交、PCR16SrRNA序列分析、各类免疫技术。“CUAAAACUCAAAG”蓝细菌16SrRNA高度特异序列：放线菌16SrRNA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DNA中G+Cmol%分析遗传学分类法DNA-DNA杂交DNA—rRNA杂交16SrRNA(16SrDNA)寡核苷酸的序列分析小结:生物进化的测量指征微生物分类微生物分类鉴定的新技术