第6章微生物分子进化与分类.ppt

第六章微生物的分子进化与分类 第一节 三域 理论与物种 生物分类系统 惠特克 Whittaker1969 五界分类系统 动物界 植物界 原生生物界 真菌界 原核生物界 沃斯 Woese1978 根据16srRNA提出三域系统 真细菌bacteria 古细菌Archaea 真核生物Eukarya 五界系统 分类学的发展 分类的单位 界 门 纲 目 科 属 种 亚种 变种等 生物命名法 双命名法 物种 基本的分类单元 能相互繁殖 享有一个共同基因库的一群个体 并和其他种生殖隔离 Mayr1982年对物种进行了重新定义他认为物种是由居群组成的生殖单元和其它单元在生殖上是隔离的 在自然界占据一定的生态位 林奈时代的物种概念 包含两个基本内容 不变 客观存在 由于不变 而且是 上帝 所创造 物种当然是客观存在 种内形态同一 种间生殖隔离则是物种不变的两个标准 达尔文的物种概念与此相反 它的基本内容是 变 人为单元 进化论说明了物种是变的 变化中的物种否定了自身的存在 第二节原核生物的分类一 分类的依据与方法 经典方法 主要依据是细菌的形态结构和生理生化特征 1 细菌的形状 大小 结构常用的各种染色如革兰氏染色 荚膜 芽孢 鞭毛染色等 2 细菌的群体形态在固体 液体培养基上的菌落形态 3 细菌的生理生化反应主要测定各种酶活性和碳利用及发酵如氧化酶 接触酶活性 糖发酵试验等微生化系统的发展 4 生态条件细菌生长和防止的条件如温度 pH 需氧情况 耐盐性 2细菌的数值分类数值分类 numbericaltaxonom 又称聚类分类法 Adanson 就是用数理统计的方法 按照等重原则处理细菌各种特征 求出相似值 分五个步骤 选择菌株和测定待测性状 性状编码 相似性计算 进行簇群分析 分类结果的表示 3分子分类法 1 G C百分比 2 核酸杂交 3 16srRNA DNA 碱基序列测定是目前比较准确的方法同种最低值 两种细菌相同16sRNA序列小于97 时 同源性小于70 二 原核生物分类系统 真细菌的种类繁多 目前根据16srRNA碱基序列比较 在细菌中鉴定出14个类群 Gibbon和Murray将细菌分为四个门 薄壁菌门 厚壁菌门 软壁菌门 疪壁菌门 三 食品中常见细菌的代表属 一 G 真细菌 1假单胞菌Pseudomonas是土壤 淡水 海水中常见的腐生菌 有些引起食物腐烂 单孢杆菌 极生鞭毛 假单胞菌属是新鲜食品中的优势菌 常存在于土壤和水中 广泛分布在食品中 另外 许多菌株是嗜冷 是导致新鲜冷冻食品腐败的重要细菌 有时腐败能产生水溶性蓝绿色素 2醋酸细菌 Acetobacter革兰氏阴性棒状杆菌 单个或呈链状排列 有鞭毛无芽孢 可以将乙醇转化为乙酸 3肠道细菌 该科是一大群G 小杆菌 兼性厌氧菌组成 主要来自温血动物的肠道 如大肠杆菌 沙门氏菌 肺炎克氏菌等 4产碱杆菌属 革兰氏阴性棒状杆菌 但菌体着色时有时也显现革兰氏阳性反应 周身鞭毛 无芽孢 严格好气 化能有机营养型 大多营养简单 不能发酵糖类 但能产碱 特别是在石芯乳中 不产色素 分布在各种腐烂物质中 并大量存在于原乳 食用家禽制品以及排泄物中 5沙雷氏菌属 革兰氏阴性 杆状 好氧 能分解蛋白质 有时能产生红色素 而不产色素的菌株则比较少见 液化沙雷氏菌是与食物中毒相关的最常见的菌株 能够引起冷冻蔬菜以及肉类制品的腐败 6弧菌属 革兰氏阴性 直形或弯曲形杆菌 极生鞭毛 兼厌气性 通常需要一定浓度的盐 可污染咸鱼咸肉 有几株菌株能够引起人体肠胃疾病或其他疾病 如引起霍乱的霍乱弧菌 7志贺氏菌属 杆状 不运动 无芽孢 无荚膜 革兰氏阴性 不能利用柠檬酸盐 能产酸但不产气 该属所有菌株都可存在于人体肠道中 8气单胞菌属 典型的水生革兰氏阴性棒状杆菌 极生鞭毛 兼厌气性 能发酵糖类产生大量气体 通常出现在鱼体中 9弯曲杆菌属 革兰氏阴性 弯曲成螺旋杆状 曾归入弧菌属 厌氧或微好氧 10变形菌属 革兰氏阴性 杆状 常表现出多种形态 无芽孢 周生鞭毛 运动性强 兼厌气性 能产酸 通常存在于人体或动物的肠道内 有较强的蛋白质分解能力 是食品的腐败菌 可引起食品中毒 10欧文氏菌属 革兰氏阴性 杆状 无芽孢 周生鞭毛 常存在于肠道 它能引起植物性食品的组织软化和腐败 但不产酒精 二 G 真细菌 1微球菌 主要有微球菌属 如藤黄球菌 用于发酵克东腐乳 微球菌用于发酵香肠等2链球菌科 链球菌 片球菌 有引起人类病害也有有用的微生物 3乳酸细菌 这是一大类群能产生乳酸作为发酵中主要产物和唯一产物的G 菌 形态有球菌和杆菌 通常不运动 乳球菌属 片球菌属等4芽孢杆菌 属于不同纲的两个科 芽孢杆菌和梭菌属 日本纳豆用枯草芽孢生产 5梭状芽孢杆菌属 杆状 革兰氏阳性 形成的卵圆形芽孢使母细胞膨胀成梭状 厌气性 能分解糖产生多种有机酸 并产气 有的能产生毒素 该属包括许多菌株 有些会引起人体疾病 中温型 嗜冷型 嗜热型菌株都存在 6类芽孢杆菌属 这个新建立的属主要包括以前属于芽孢杆菌属以及梭状芽孢杆菌的菌株 7索丝菌属 革兰氏阳性 杆状 不产芽孢 对数期的细胞为棒杆状 而衰老后则为球状 通常存在于肉类以及冷藏温度下保存的肉类制品中 7柠檬酸杆菌属 革兰氏阴性 杆状 周生鞭毛 无芽孢 兼厌气性 能产酸 产气 所有菌株都能利用柠檬酸盐为惟一碳源生长 能存在于肠道中进行缓慢的乳糖发酵 有的种能引起食品腐败和人的肠胃炎 8肉杆菌属 革兰氏阳性 杆状 过氧化氢酶阴性 异型发酵 绝大多数能在0 45 生长 有些种能发酵葡萄糖产生气体 它们与乳酸杆菌的区别在于不能在醋酸盐培养基上生长 在代谢过程中能够合成油酸 通常存在于真空包装的肉制品或相关制品中 9棒杆菌属 棒杆状 革兰氏阳性 与部分蔬菜以及肉类制品的腐败有关 是重要的嗜冷菌 但大多数菌株都是中温型 其中白喉棒杆菌能够引起人体白喉病 10明串珠菌属 革兰氏阳性 不形成芽孢 球状 排列成对或成链状 兼厌气性 经常与乳酸球菌同时出现 是乳酸细菌的另一个属 过氧化氢酶阴性 异型乳酸发酵 11葡萄球菌属 球形 排列呈葡萄状 革兰氏阳性 过氧化氢酶阳性 金黄色葡萄球菌是其中一个重要种 能够引起几种疾病 包括肠胃食物中毒等 第三节真菌的分类 真菌常用Ainsworth的分类系统 根据有性世代 分为 个亚门 鞭毛菌亚门 接合菌亚门 子囊菌亚门 担子菌亚门 半知菌亚门 分类依据 丝状真菌分类主要依据其形态特点 产生的孢子类型 目前也常用生理指标和分子生物学指标 鞭毛菌亚门 生活习性 多数水生 少数陆生 营养体 复杂多样 单细胞 有假根的单细胞和无隔菌丝 无性生殖 产生游动孢子 具1 2根鞭毛有性生殖 卵孢子 接合子等 游动孢子 感染水霉病的鱼 绵霉 番茄晚疫 番茄晚疫 壶菌 用于生产DHA 接合菌亚门 生活习性 水生 两栖 陆生 无隔菌丝 无性繁殖 孢囊孢子有性繁殖 接合孢子 Mucorsp Rottingcausedbymucor Awomanwithmucor 子囊菌亚门 营养生长 陆生为主 有隔菌丝无性繁殖 分生孢子有性生殖 产生子囊孢子三种子囊 原壁子囊 单壁子囊 双壁子囊多数子囊被菌丝组织包被 形成具有一定形式的子实体 子囊果ascocarp子囊果类型 闭囊壳 子囊壳 子囊盘 子囊座和假囊壳 子囊腔 虫草属Cordyceps 葡萄黑腐 pictureoftheapotheciaofMorchellasp 担子菌亚门 生活习性 为高等真菌 陆生为主 营养菌丝 为有隔菌丝无性 很多担子菌没有无性繁殖 有些担子菌芽殖或菌丝断裂等产生分生孢子或其他孢子 如锈菌可产生锈孢子 夏孢子 有性 产生担子和担孢子 高等的担子菌产生担子果 低等的无担子果 Fairyring 2木耳目Auriculariales 红菇属Russula 红蛋巢菌属Nidula 半知菌亚门 生活习性及营养菌丝 陆生为主 菌丝 有隔菌丝 无性生殖 多数产生各种分生孢子 分生孢子形态 分生孢子梗形态和分生孢子的产生方式的是分类的主要依据没有发现有性生殖 多数生活习性与子囊菌类似 少数与担子菌类似 分生孢子形态图 炭疽病 一 丝状真菌 食品真菌 霉菌 的代表属 一 毛霉属 Mucor 在分类系统中属于接合菌 毛霉目 分布 广泛分布于土壤 空气中 也常见于水果 蔬菜 各类淀粉食物 谷物上 引起霉腐变质 特征 低等真菌 菌丝发达 繁密 为白色 无隔多核菌丝 为单细胞真菌 菌落蔓延性强 多呈棉絮状 代表种 高大毛霉 总状毛霉和梨形毛霉 繁殖 无性繁殖 产孢囊孢子 有性繁殖 产生接合孢子 无性繁殖 孢子囊梗直接从菌丝体上发出 单生或分枝 顶端产生膨大的孢子囊 孢子囊为球形 囊壁上常有针状的草酸钙结晶 在囊轴与孢子囊梗相连处无囊托 但孢子囊壁破裂时 留有残迹 囊领 毛霉的孢子囊梗有单生的 也有分枝的 分枝有单轴 假轴两种类型 毛霉的菌丝多为白色 孢子囊黑色或褐色 孢子囊孢子大部分无色或浅兰色 因种而异 毛霉的应用 能产生蛋白酶 具有很强的蛋白质分解能力 多用于制作腐乳 豆豉 有的可产生淀粉酶 把淀粉转化为糖 在工业上常用作糖化菌或生产淀粉酶 有些毛霉还能产生柠檬酸 草酸等有机酸 有的也可用于甾体转化 二 根霉 Rhizopus 与毛霉同属接合菌 毛霉目 分布 分布于土壤 空气中 常见于淀粉食品上 可引起霉腐变质和水果 蔬菜的腐烂 形态特征 很多特征与毛霉相似 菌丝也为白色 无隔多核的单细胞真菌 多呈絮状 主要区别在于根霉有假根和匍匐枝 与假根相对处向上生出孢囊梗 孢子囊梗与囊轴相连处有囊托 无囊领 Eachsporangiumcontainshundredsofnon motile asexualsporeswithinadelicateoutermembranecalledaperidium 繁殖 无性繁殖产孢囊孢子 有性繁殖产生接合孢子 根霉的孢子囊和孢囊孢子多为黑色或褐色 有的颜色较浅 代表种 米根霉 R oryzae 黑根霉 R nigrican 等 应用 根霉能产生一些酶类 如淀粉酶 果胶酶 脂肪酶等 是生产这些酶类的菌种 在酿酒工业上常用做糖化菌 有些根霉还能产生乳酸 延胡索酸等有机酸 有的也可用于甾体转化 三 曲霉 Aspergillus 有性世代属子囊菌 散囊壳目 少见 无性世代半知菌 丛梗孢目 分布 广泛分布于土壤 空气和谷物上 可引起食物 谷物和果蔬的霉腐变质 曲霉 曲霉无性繁殖在足细胞上产生直立的分生孢子梗 顶端膨大成为顶囊 顶囊上有很多的产孢细胞 可以有一层或两层产孢细胞 分生孢子为球形单细胞 分生孢子聚集在一起产生颜色 曲霉的有性繁殖 大多数曲霉有有性繁殖 为子囊菌 主要分布与三个属 散囊菌属 萨托菌属 裸壳脱属 曲霉 土曲霉菌落 黑曲霉菌落 曲霉的分类 有200多个种和很多亚种 有很多都产生毒素 其中著名的有黄曲霉毒素 代表种 黑曲霉 Asp Niger 黄曲霉 Asp flavus 米曲霉 应用 是制酱 酿酒 制醋的主要菌种 是生产酶制剂 蛋白酶 淀粉酶 果胶酶 的菌种 生产有机酸 如柠檬酸 葡萄糖酸等 农业上用作生产糖化饲料的菌种 四 青霉 Penicillum 多数属于子囊菌亚门 少数属于半知菌亚门 分布 广泛分布于土壤 空气 粮食和水果上 可引起病害或霉腐变质 形态特征 与曲霉类似 菌丝也是由有隔多核的多细胞构成 但青霉无足细胞 分生孢子梗从基内菌丝或气生菌丝上生出 有横隔 顶端生有扫帚状的分生孢子头 分生孢子多呈蓝绿色 扫帚枝有单轮 双轮和多轮 对称或不对称 繁殖 无性繁殖产分生孢子 大多数有性阶段不明 归为半知菌类 少数种可形成子囊孢子 归为子囊菌亚门如钩囊霉属 丝衣霉属 应用 是生产抗生素的重要菌种 如产黄青霉和点青霉都能生产青霉素 生产有机酸 如葡萄糖酸 柠檬酸 等 点青霉菌落 代表种 产黄青霉 Pen citrinum 展青霉 Pen patulum 干酪中常见的青霉 娄克馥干酪中的娄地青霉 卡门柏干酪青霉 丹麦青霉等 五 地霉Geotrichum 地霉的一个属 常见于腌咸菜的表面引起腐败 如白地霉Geotrichumcamdidum 属于半知菌 繁殖产生内生节孢子 可以用于生产单细胞蛋白 白地霉的菌落 六 红曲霉 Monascusspp 1红曲霉属的分类红曲霉属归于真菌界 真菌门 子囊菌亚门 Ascomycotina 不整囊菌纲 Plectomyhcetes 散囊菌目 Eurotiales 红曲科 Monascaceae 红曲科下仅一属即为红曲霉属 Monascus 红曲霉属可分为多个种 常见的M pilosus M purpureus和M ruber 多用麦芽汁琼脂培养 菌丝初为白色 老熟后变为淡红色 紫红色 赭红色 橙红色 烟灰色等 因种而异 红曲霉多能形成红色色数 常将色素分泌到培养基中 故使培养物的背面着色 2红曲霉属的培养特征 Monascus 3红曲霉及其应用的研究进展 1 酶类可产生多种酶 如淀粉酶 葡萄糖淀粉酶 糖化酶 麦芽糖酶 蛋白酶 果胶酶等 葡萄糖淀粉酶能将淀粉几乎百分之百地水解成葡萄糖 工业上利用红曲这一特性代替了酸水解法生产葡萄糖能产较高活性的蛋白酶 故可用红曲腌渍鱼 肉 豆腐等高蛋白食品 经1 3个月的腌渍 可制出色 香 味具佳的产品 2 红曲色素已测出结构式的有6种 均为脂溶性色素 两种黄色素 安卡红曲黄素ankaflavin 红曲素monascin 两种红色素 红曲玉红monascorubrin 红斑红曲素rubropunctatin 稳定 抗菌 两种紫色素 红曲玉红胺monascorubramine 红斑红曲胺rubropunctamine 3 红曲霉的药理成分 Monacolins类物质 具有抑制胆固醇合成活性 为有效低毒能治疗高胆固醇血症的药剂麦角固醇 麦角固醇是维生素D的前体 当它受到紫外线照射后即转化为维生素D 氨基丁酸 红曲所产生的 GABA 具有降血压的作用 希望能成为一种新的可治疗人类高血压的药物 红曲的应用 七 常引起食品污染的真菌芽枝孢交链孢镰刀菌 二 酵母 真菌 酵母菌 yeast 的概念 是一通俗名称 没有确切定义 一般认为酵母菌具有以下五个特点 个体一般以单细胞状态存在 多数出芽繁殖 也有的裂殖 能发酵糖类产能 细胞壁常含有甘露聚糖 喜在含糖量较高 酸度较大的环境中生长 酵母菌与人类关系密切 种类较多 目前已知有 多种 分布广 在水果 蔬菜 花蜜和植物叶子表面以及果园的土壤里 在牛奶 动物的排泄物以及空气中也有酵母存在 大多数腐生 少数寄生 应用于食品发酵 生产单细胞蛋白等 引起食品腐败 少数引起动植物病害 酵母菌应用食品方面 酿酒 制作面包 生产调味品等 医药方面 生产酵母片 核糖核酸 核黄素 细胞色素C B族维生素 乳糖酶 脂肪酶 氨基酸等 化工方面 使石油脱腊 以石油为原料生产柠檬酸等 农业方面 生产饲料 例如SCP 生物工程方面 作为基因工程的受体菌 酵母菌的危害 腐生性酵母菌能使食物 纺织品和其他原料腐败变质 少数耐高渗的酵母菌和鲁氏酵母 蜂蜜酵母可使蜂蜜和果酱等败坏 有的酵母菌是发酵工业的污染菌 影响发酵的产量和质量 某些酵母菌会引起人和植物的病害 例如白假丝酵母可引起皮肤 粘膜 呼吸道 消化道等感染 一 酵母菌的形态 1 形态 一群单细胞的真核微生物 通常为圆形 卵圆形或椭圆形 也有特殊形态 如柠檬形 三角形 藕节状 腊肠形 假菌丝等 假菌丝 酵母菌在一定条件下培养 产生的芽体与母细胞不分离形成的特殊形态 2 酵母菌大小 酵母菌比细菌粗约10倍 其直径一般为2 5 m 长度为5 30 m 最长可达100 m 例如 酿酒酵母 宽度 2 5 10 m 长度 4 5 21 m酵母的大小 形态与菌龄 环境有关 有些种的细胞大小 形态极不均匀 而有些种的酵母则较为均匀 二 酵母菌的细胞结构 具有 细胞壁 细胞膜 细胞核 液泡 线粒体 内质网 微体 微丝 及内含物等 有的菌体还有出芽痕 诞生痕 酿酒酵母细胞结构 细胞壁 酵母细胞壁厚度0 1 0 3 m 重量占细胞干重的18 25 化学组成 葡聚糖 甘露聚糖 蛋白质 脂类 几丁质 几丁质并不是所有的酵母菌中都有 其含量也因种而异 裂殖酵母一般不含几丁质 酿酒酵母含1 2 有的假菌丝酵母含量超过了2 细胞壁结构 酵母细胞壁呈 三明治 结构 酵母细胞壁结构 外层 主要为甘露聚糖内层 主要为葡聚糖中间层 主要是蛋白质 细胞壁 葡聚糖和甘露聚糖都是复杂的分枝状聚合物 维持细胞壁强度的物质主要是位于内层的葡聚糖 此外 细胞壁上还含有少量的几丁质 脂类和无机盐 几丁质并不是所有的酵母菌中都有 其含量也因种而异 裂殖酵母一般不含几丁质 酿酒酵母含1 2 有的假菌丝酵母含量超过了2 壁外成分 有些菌壁外含有由多糖构成的类似荚膜的结构 如异多糖和淀粉类物质 出芽痕和诞生痕 酵母出芽繁殖时 子细胞与母细胞分离 在子 母细胞壁上都会留下痕迹 在母细胞的细胞壁上出芽并与子细胞分开的位点称出芽痕 子细胞细胞壁上的位点称诞生痕 由于多重出芽 致使酵母细胞表面有多个小突起 根据酵母细胞表面留下芽痕的数目 就可确定某细胞产生过的芽体数 因而可估计该细胞的菌龄 三 酵母菌培养的特征 固体培养菌落特征 菌落大而厚 圆形 光滑湿润 粘性 颜色单调 常见白色 土黄色 红色 啤酒酵母菌落 2 液体培养在液体培养基上 不同的酵母菌生长的情况不同 好