微生物分类的学习课件

微生物分类的学习课件第1页/共51页第十一章

微生物的分类第2页/共51页教学重点微生物的分类单元与命名

微生物的分类方法

微生物的分类系统微生物的鉴定方法

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微生物分类学是研究微生物分类理论和技术方法的科学。其目的是研究各类微生物的特征及其亲缘关系，为微生物资源的利用、控制和改造提供理论根据。其内容包括

分类（classification）

鉴定(identification)和

命名(nomenclature)3部分。

第4页/共51页目前，已记载过的生物种数约为150余万种，其中微生物为10～20万种，而且还在急剧的扩大。

分类是根据一定的原则对微生物分群归类，根据相似性或相关性水平排列成系统，并描述各个类群的特征。

鉴定是指借助于现有的微生物分类系统，通过特征测定，确定某一微生物应归属类群的过程，通过鉴定可达到知类、辨名的目的。

命名是根据国际命名法规，为一个未知名字的新培养物确定其学名的过程。第5页/共51页

生物种类极其繁多。据估计，目前人们已鉴定命名的约有200万种，其中微生物约有20万种。生物分类原则根据表型特征根据生物系统发育相关性水平

形态学、生理生化学、生态学等。重在应用，不涉及进化和亲缘关系。

探寻进化关系，反映生物系统发育过程。微生物分类学是研究微生物分类理论和方法的学科。第6页/共51页第一节微生物的分类单元与命名

一、微生物的分类单元

分类单元（taxon，复数taxa）是指某一个具体的分类群，如原核生物界（Procaryotae）中的大肠埃希氏菌属（Escherichia）和枯草孢杆菌（Bacillussubtilis）等分别代表一个分类单元。第7页/共51页（一）种以上的分类单元界

（Kingdom）

门

（Phylum）

纲（Class）

目（Order）

科（Family）

属（Genus）

种（Species）

微生物分类的目的：把各种微生物按照它们的亲缘关系分群归类，排成系统，以便于人们对微生物进行鉴定和交流。分为7个基本的分类单元，由上而下一次为：第8页/共51页

种（species）

微生物种是表型特征高度相似、亲缘关系极其接近与其他种有明显差异的一群菌株的总称。

在具体分类时，常用一个被指定的能代表这个种群的模式菌株或典型菌株（typestrain）作为该种的模式种（typespecies）来定种，模式种往往是定为一个新属的第一个种或第一批种之一，也可以是在某一已知属内任意指定的种。

第9页/共51页（二）种以下的分类单元1.亚种（subspecies，缩写为subsp．）亚种是种的进一步细分单位，一般指一明显而稳定的特征与模式种不同但又不足以区分为新种的菌株类群。

2.变种（Variety，缩写为var．）变种与亚种同义，近已废止。是指在某些（通常是较少）方面与特定的典型种的相应特性有所不同的菌株。3．“型”（type）型是同种之内在某些特殊性质上有区别的类群。它们之间的区别不象亚种那样显著，曾用于亚种以下的细分，但目前已废除

。第10页/共51页

培养物(culture)：

一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物。如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物等。4.菌株（strain）菌株又称品系。一个菌株是指由一个单细胞繁衍而来的克隆（clone）或无性繁殖系中的一个微生物或微生物群体。如果用实验方法（如通过诱变）所获得的某一菌株的变异型，则可以称为一个新的菌株，以便与原来的菌株相区别。第11页/共51页二、微生物分类单元的命名

微生物种名的命名和其他高等生物一样，采用林奈创立的“双名法”。属名在前，一般用拉丁字名词表示，字首字母大写。种名在后，常用拉丁文形容词表示，全部小写。

学名=属名+种名+（首次定名人）+现名定名人+定名年份

必要、用斜体字

可省略，均用正体字第12页/共51页

Bacillussubtilis

（Ehrenberg）Cohn1872例：StaphylococcusaureusRosenbach1884第13页/共51页

如：cillusthuringiensissubsp．Galleria学名=属名+种名+（Subsp．或var．）+亚种（或变种）名

亚种（subspecies，缩写subsp．）或变种（variety，缩写var．）采用三名法：用斜体字用正体字，可省略用斜体字第14页/共51页第二节

微生物分类鉴定方法

一、经典分类法

（一）形态特征：1.个体形态：大小，形态，分化，结构，染色等。

2.群体形态：培养特征反映，菌落和液体培养的特征。

（二）生理生化特征1.营养特征：能否利用多糖、双糖、单糖、脂肪酸CO2作为碳源和能源；能否利用蛋白质、蛋白胨、氨基酸、铵盐等。

第15页/共51页2．代谢产物

如通过检查微生物能否产生有机酸、乙醇、碳氢化合物、气体及硫化氢等；能否分解色氨酸产生吲哚；能否分解糖，能否产生色素、抗生素等。3．酶活性

观察是否有氧化酶、接触酶、脲酶、凝固酶等。常测定的有淀粉水解、油脂水解、酪素水解、明胶液化等项目。4．在牛乳培养基中生长的反应

有些使牛乳中的乳糖发酵产酸，致蛋白质凝固；有些具蛋白酶，使酪蛋白分解为蛋白胨（胨化）；另一些细菌则把牛乳中的含氮物质分解成氨，使牛乳变成碱性。因此，可观察牛乳中是凝固还是胨化，是产酸还是产碱鉴定细菌。第16页/共51页（三）生态特征微生物对氧气、温度、酸碱度、盐度等环境因素的要求也是分类的依据。（四）对噬菌体和药物的敏感性

噬菌体有严格的寄主范围，它不仅对种有特异性，而且对同种细菌的不同型也有特异性。通过观察噬菌斑的形状、大小，在液体培养基中，是否使由混浊变为澄清等作为鉴定依据。(五)血清学反应

常用已知菌种、型或菌株制成抗血清(抗体)，与待鉴定的对象(抗原)是否发生特异性结合反应来鉴定未知菌种、型或菌株。第17页/共51页

二、化学分析法

（一）细胞壁的化学成分

如G—细胞壁的肽聚糖含量少，有较多的脂蛋白、脂多糖，而G+菌细胞壁的肽聚糖含量多，含有磷壁酸。革兰氏G+菌中，不同的菌种肽聚糖的含量差异很大(30%～95%)，结构和组分上也因菌种而异。

（二）全细胞水解液的糖型

放线菌全细胞水解液的糖型可分为①阿拉伯糖，②半乳糖，③无糖，④木糖和阿拉伯糖4类。

（三）脂肪酸组成

通过气-液相质谱分析测定微生物所含的饱和脂肪酸及不饱和脂肪酸组成的差异。第18页/共51页

（四）磷脂、醌、多胺分析

磷脂

磷脂的种类很多，其中有5种可作为鉴定的指标：磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰甲基乙醇胺(PME)、磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰甘油(PG)和一种含葡萄糖胺未知结构的磷脂。

醌

用于细菌分类主要是甲基萘醌（menaquinone，即VitK）和泛醌（ubiquinone，即辅酶Q）。甲基萘醌用于放线菌与革兰氏阳性菌的分类。

多胺

用经典分类方法不易区别，但用多胺分析能快速区别。

如黄单胞菌属（Xanthomonas）与植物致病假单胞菌及一些腐生假单胞菌，大多数特征都一样，前者主要是亚精胺，后者主要是腐胺。第19页/共51页

运用高度标准化的SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）分析，对支原体、细菌、放线菌和真菌的鉴定。大量研究表明全细胞蛋白质分析和DNA-RNA杂交有高度相关性，故此法可用于种和种以下的分类鉴定。常用的电泳方法有单向电泳和

双向电泳，并应用特定的计算机软件对电泳图谱进行分析。（五）蛋白质分析第20页/共51页三、遗传特征分类法

（一）DNA的碱基组成[(G+C)mol%]

不同种的微生物DNA碱基对排列顺序不同，其(G+C)mol%值一般随种的不同而变化。一般认为，亲缘关系相近的种，其碱基对排列顺序相近，其(G+C)mol%值也接近。但(G+C)mol%值接近的两个种的亲缘关系则不一定接近。2.5%～4.0%同种；

＜2%无分类学上的意义；

＞5%两个不同的种；

＞10%不同属

。方法:热变性温度法、浮力密度法和高效液相色谱法。第21页/共51页

（二）核酸杂交法

不同微生物DNA碱基排列顺序的异同直接反应它们之间亲缘关系，碱基排列顺序差异越小，它们之间的亲缘关系越近，反之亦然。

由于碱基对的排列顺序不能由DNA(G+C)mol%值反映微生物的亲缘关系，所以，目前分类学主要采用较为间接的比较方法——核酸杂交（nucleicacidhybridization），来比较不同微生物DNA中碱基排列顺序的相似程度，以进行微生物的分类。

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1.DNA-DNA杂交

原理：在高温条件下，DNA双链离解成单链（变性），降温（退火）后互补的单链又可以重新结合形成双链DNA（复性）。根据DNA的这个特性，将两个不同的细菌的单链变性DNA混合，如果：

结合成完整的双链——杂交率为100%。同源程度很高，其碱基顺序完全相同；

部分结合，杂交率小于100%。同源程度不高，

则单链会形成不同微生物之间。

不同微生物之间，DNA同源程度越高，其杂交率就越高。第23页/共51页

DNA-DNA分子杂交测定核酸同源性的原理第24页/共51页＜20%不同菌属；20%～60%属内密切相关的种；＞60%的

同种；＞70%同一亚种。第25页/共51页2.DNA–rRNA杂交

当两个菌株DNA的非配对碱基超过10%～20%时，DNA-DNA杂交往往不能形成双链，因而限制DNA–DNA杂交主要用于种水平上的分类。

比较亲缘关系更远的菌株之间的关系，需要用rRNA与DNA杂交。rRNA是DNA转录的产物。rRNA-DNA杂交也可以显示不同的细菌的碱基顺序的相似程度，因为rRNA的碱基顺序与一股单链DNA的碱基顺序互补。DNA同源性很低的两菌株，DNA-DNA杂交率很低或不能杂交时，用DNA-rRNA杂交，仍可表现出较高的杂交率，故可以比较亲缘关系较远的菌株间的关系，进行属及属以上分类单元的分类。DNA-rRNA杂交与DNA–DNA杂交的原理和方法基本相同。第26页/共51页3.核酸探针

核酸探针（probe）是指能特异识别特异核苷酸序列的、带有标记的一段单链DNA或RNA分子。换句话说，它是能与被检测的特定核苷酸序列（靶序列）互补结合，而不与其他序列结合的带标记的単链核苷酸片段。

根据特异性的不同，核酸探针在微生物鉴定与检测中的作用也不同，有的探针只用于某一菌型的检测，有的可用于某一种、属、科至更大类群范围的微生物的检测或鉴定。

核酸探针

分为基因组DNA探针、RNA基因（cDNA）探针、RNA探针和人工合成寡核苷酸探针等。第27页/共51页

（三）16SrRNA寡核苷酸分类目录

即16SrRNA寡核苷酸序列比较分析。现已被公认为是研究生物进化的合适方法。主要原因是：

（1）16SrRNA普通存在于原核生物和真核生物细胞中，可用以比较它们在进化上的关系；

（2）16SrRNA有重要并恒定的生理功能；

（3）rRNA的基因在细胞中是稳定的，不会转移；

（4）16SrRNA分子的某些碱基顺序非常保守，同时又有可变区段，可用作探索生物的主要进化历程；

（5）16SrRNA在细胞中含量大易于提取，分子量（1540bp）适中，且信息量大又易于分析。所以，16SrRNA是理想的研究材料。

第28页/共51页16SrRNA寡核苷酸编目分析依据的原理：用一种核糖核酸酶水解rRNA，可产生一系列寡核苷酸片断。如果两种或两株微生物亲缘关系越接近，则它们产生的寡核苷酸片断的顺序也越近，反之亦然。

古菌域这个“第三界生物”正是基于16SrRNA寡核苷酸序列比较分析而确定的。第29页/共51页四、数值分类法20世纪60年代，随计算机的应用而发展的细菌分类方法。它对细菌的各种生物学性状按“等重要原则”进行分类，一般需选用50项以上的形态的、生理的、生化的、遗传的、生态的和免疫的特征等指标逐一进行比较，通过计算机分析各菌间相似度，划分细菌的属和种，并确定它们的亲缘关系。第30页/共51页

数值分类可大致分为5个步骤：

1.确定分类单位和选择分类特征：数值分类最低等级的分类单位称操作分类单位（OTU），OTU可以是菌株、种或属等。

选择50个以上乃至几百个，

所选性状尽可能包括微生物的各个方面。

2.性状编码：将实验测得的结果

，如阳性用“+”表示，阴性用“-”表示，转化成计算机能识别、运算的符号并编码后，把它们排列成序号，形成一个性状（原始数据）矩阵，然后分别用1（阳性）和0（阴性）符号输入计算机。第31页/共51页3.计算两菌株间的相关系数：计算机运用专门编写的程序，对OTU进行两两比较，最后计算出OTU之间总的相似系数。

4.列出相似度矩阵：由计算机计算各OTU之间的相似性并根据相似性的数值进行聚类分析、分群归类，得到相似度矩阵，即S矩阵。例如我们对10个菌株进行数值分类，经过系统聚类得到图A的S矩阵，相似度为百分数，100表示每个OTU自己与自己相比，自然全同。第32页/共51页

将相似度高的和低的分别列在一起，结果得到图B

所示的矩阵。

10个菌株的相似度矩阵

对10个菌株进行数值分类，经过系统聚类得到图A的S矩阵第33页/共51页5.系统聚类和结果的表示：数值分类结果可用多种方法表示，其中树状谱图由于直观明确而最常用。从图A所示的S矩阵看不出这10个菌株的相互关系，因此需要对矩阵进行重新处理，将相似度高的和低的分别列在一起，结果得到图B所示的矩阵再转换成能显示这10个菌株相互关系的树状谱(图C)。

由于数值分类法是按大量表型特征的总相似性进行分类的，故其结果不可能直接反映系统发育的自然规律，因此，由数值分类法获得的类群只能称为表元（phenon）或表观群（phenoticgroup），而不能当做严格的分类单元。第34页/共51页

图C10个菌株间相似度的树状谱

虚线表示各菌株相似度的水平，可用作属与种两个不同层次的分类单元第35页/共51页第三节微生物的分类系统一、生物的界级分类学说两界系统三界系统四界系统五界系统六界系统第36页/共51页第37页/共51页20世纪70年代末美国的伍斯（Woese）等人对大量微生物和其他生物进行16SrRNA（或18SrRNA）的寡核苷酸测序，并比较其同源性水平后，首次提出了生命第三种形式——古菌的存在。

随后他及其同事们又对大量菌株进行16SrRNA（或18SrRNA）序列研究，相继发现极端啫盐菌和极端嗜酸嗜热菌也和产甲烷菌一样，具有既不同于其他细菌也不同于真核生物的序列特征，而它们之间则具有许多共同序列，从而提出了三域学说（ThreeDomainsTheory），即将生物分为三域：古菌域、细菌域和真核生物域。第38页/共51页

系统发育树(phylogenetictree)

通过比较生物大分子序列差异的数值构建的系统树称为分子系统树，其特点是用一种树状分枝的图型来概括各种(类)生物之间的亲缘关系。第39页/共51页系统发育树第40页/共51页1.提出了一种全新的正确衡量生物间系统发育关系的方法；

2.对探索生命起源及原始生命的发育进程提供了线索和理论依据3.突破了细菌分类仅靠形态学和生理生化特性的限制，建立了全新的分类理论；4.为微生物生物多样性和微生物生态学研究建立了全新的研究理论和研究方法，特别是不经培养直接对生态环境中的微生物进行研究。

意义：第41页/共51页一、细菌的分类系统

《伯杰氏手册》最初是由美国宾夕法尼亚大学的细菌学教授伯杰（D.Bergey）（1860—1937）及其同事为细菌的鉴定而编写，第1版名为《伯杰氏鉴定细菌学手册》（Bergey’sManualfoDeteminativeBacteriology）。该书自1923年第1版问世以来，已进行过8次修改，现已发行第9版。伯杰氏手册:是目前进行细菌分类、鉴定的最重要参考书，其特点是描述非常详细，包括对细菌各个属种的特征及进行鉴定所需做的实验的具体方法。第42页/共51页第一版(《系统手册》)1984年问世，至1989年出齐，共4卷。1994年又将《伯杰氏系统细菌学手册》1～4卷中有关属以上分类单元的分类鉴定资料进行少量的修改补充后汇集成一册仍用原来的书名出版，故称《伯杰氏鉴定细菌学手册》第9版。

第二版《系统手册》

分5卷，将从2000年起陆续出版。第2版与第1版最大的区别，是将原核生物分为古菌域和细菌域，主要是基于分子系统发育资料而不是表型特征。第43页/共51页

《系统手册》第1版共分4卷：第一卷：一般医学和工农业方面重要的革兰氏阴性

细菌，共分11个组。

第二卷：放线菌以外的革兰氏阳性细菌，分6个组。

第三卷：光合细菌、古细菌、蓝细菌及其他革兰氏

阳性细菌，分8个组。第四卷：放线菌，分8个组。第44页/共51页《系统手册》第2版

内容为：第一卷：1～14组，包古菌、蓝细菌、光合细菌和最

早分支的属。第二卷：15～19组，包括变形杆菌（属G-真细菌类）。第三卷：20～22组，包括低（G