第十章-微生物的进化、系统发育和分类鉴定.ppt

1、第十章 微生物的进化、系统发育和分类鉴定,地质学、古生物学、地球化学直接或间接证据表明： 地球形成后的约10亿年，开始出现生命：主要是类 似简单杆状细菌的原始生物。不产氧光合细菌的起 源也很早。这些都是厌氧型的。蓝细菌在25亿-30亿 年前出现。蓝细菌的出现，给地球带来了氧气。随 后，出现了真核微生物。 目前，已知的微生物约有15万种。 分类学的目的已不仅仅是对物种的识别和归类，主 要目标是通过分类追溯系统发育，推断进化谱系。 微生物的分类传统的表型特征分类和分子生物 学的遗传型特征分类。,本章主要内容：,第一节 进化的测量指征 第二节 细菌的分类 第三节 微生物分类鉴定的特征和技术 第四节

2、微生物的快速鉴定和自动化分析技术,第一节 进化的测量指征,20世纪70年代以前，生物类群间的亲缘关系主要是根据形态结构、生理生化、行为习性等表型特征判断，涉及的是高等动植物分类。由于微生物个体微小，结构简单，缺少有性繁殖过程，加上化石资料匮乏，无法解决微生物的系统发育问题。直至20世纪70年代后，分子生物学技术在分类学上开始应用，微生物系统发育和分类才蓬勃发展起来，并形成了一系列鉴定体系。,一 进化指征的选择 二 rRNA作为进化的指征 三 系统发育树和三界生物的系统树,一 进化指征的选择,1 根据表型特征分类微生物存在的问题, 微生物的形态特征少，难以把所有微生物放在同一水平上比较。 表型特

3、征在不同类群间进化速度差异很大，甚至基因相同的个体在不同环境下发育也可能出现显著的表型差异。,必需从蛋白质、RNA和DNA这些能反映微生物基因组特征的生物大分子的一级结构特征入手，作为判断微生物的进化谱系指征。,2 生物大分子的作为进化指征的特点,蛋白质、RNA、DNA序列进化的显著特点是： 序列进化的改变量和分子进化的时间成正相关。即 分子计时器。 在两群生物中，如果同一种大分子的序列差异很 大，表示它们进化距离远。在很早就分支了。 如果两群生物同一来源的大分子的序列相同，说明 它们处在同一进化水平上。,3 生物大分子作为进化指征的选择,必须普遍存在于所研究的各生物类群中。 在各种生物中功能

4、同源的大分子。从鉴定大 分子的功能开始。 选择的大分子序列严格线性排列。为了方便 鉴定大分子序列的同源位置或同源区。 根据所比较的各类生物之间的进化距离选择 适当的分子序列。,二 rRNA作为进化的指征, 蛋白质、RNA、DNA。 最适合揭示生物亲缘关系的是rRNA。 16SrRNA是应用更广泛的“分子尺”。 参与生物蛋白质的合成。 适用于进化距离不同的各类生物亲缘关系的研究。 分子量约1540bp，大小适中。含量大便于提取。 普遍存在于原核和真核生物（同源分子18SrRNA）。,20世纪70年代由美国学者伍斯（Carl Woese）发现，开始了开拓性研究，并发现了生命的第3种形式古细菌。,操

5、作步骤： 微生物培养 提取纯化rRNA rRNA序列测定 获得各相关微生物序列资料 输入计算机进行分析比较,三 系统发育树和三界生物的系统树,系统发育树：用类似树状分支的图型概括各类（种）生物之间的亲缘关系。简称系统树。（phylogenetic tree) 分子系统树：通过比较生物大分子序列差异的数值构建的系统树。（molecular phylogenetic tree）,无根树：只表示系统发育关系，不反映进化途径。 有根树：既表示系统发育关系，又反映起源及进化方向。,伍斯的全生命系统树（三界生物的系统树） 真细菌 古生菌 真核生物,伍斯的全生命系统树（三界生物的系统树）,基于16SrRNA

6、(或18SrRNA)序列比较提出。 有根的系统树。根部的结表示地球上最初出现的生命。 先分成两支：真细菌分支 古生菌真核生物分支 古细菌真核生物分支进一步分支发展成古生菌和真核生物 古生菌与真核生物属“姊妹群”。,三界学说的建立和发展，其意义在于为进一步探讨生命起源、进化，进一步认识、研究和开发微生物资源提出了新的思路。,第二节 细菌的分类,一 分类单元及其等级 二 细菌分类及伯杰氏手册,一 分类单元及其等级, 分类单元：指具体的分类群。 如原核生物界、肠杆菌科各代表一个分类单元。 分类单元分为7个基本的分类等级（阶元）：界、门、纲、 目、科、属、种。 可以增加亚等级，如亚界、亚门、亚纲。 细

7、菌中，在科和属间可以增加族和亚族等级。 亚种以下常用培养物、菌株、居群和型。 种以上常使用群、组、系等类群名称。,纯培养物：由单一微生物细胞繁殖产生的细胞群或生长物。 菌株：从自然界中分离得到的任何一种微生物的纯培养物。 是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体。,二 细菌分类及伯杰氏手册,对细菌进行全面分类、影响最大的是 伯杰氏系统细菌学手册 美国宾夕法尼亚大学细菌学教授伯杰（D.Bergey）及其同事为细菌的鉴定编写的。1923年问世，至今已发行第9版。目前是国际上通用的“正式的”或“官方的”分类。 见书P338-342.,第三节 微生物分类鉴定的特征和技术,一 形态学和生理生化特征 二

8、血清学试验与噬菌体分型 三 氨基酸顺序和蛋白质分析 四 核酸的碱基组成和分子杂交 五 微生物鉴定,一 形态学和生理生化特征,1 形态学特征 特点：易于观察和比较； 形态学特征具有相对稳定性。 分类鉴定的重要依据。 系统发育相关性的一个标志。 常用于微生物分类鉴定的形态学特征,2 生理生化特征 研究微生物酶和调节蛋白质的本质和活性。 比较生理生化特征既是对基因组的间接比较。 常用于微生物分类鉴定的生理生化特征,二 血清学试验与噬菌体分型,抗原性物质：细菌细胞和病毒含有的蛋白质、脂蛋白、 脂多糖 不同的微生物其抗原物质结构不同，抗原特征不同。 一种细菌的抗原除了能与它自身的抗体起特异性反应 外，若

9、它与其他种类的细菌具有共同的抗原组分，它 们的抗原和抗体之间就会发生交叉反应。 用血清学试验进行分类鉴定 在生物体外进行不同微生物之间的抗原与抗体反应。 对全细胞、细胞壁、鞭毛、荚膜、纯化的蛋白质等的 抗原性分析。比较不同细菌同源蛋白质间结构相似性。,血 清 学 试 验,成功应用于种内（以及个别属内）不同菌株血清型的划分。 某些传染病与特定的血清型密切相关，分布具一定区域性特征。血清型的划分在流行病的研究中有重要意义。,血清学试验意义,噬菌体分型,利用噬菌体对宿主的感染和裂解作用的高度特异性特点。 一种噬菌体只能感染和裂解某种细菌，甚至只裂解种内的某些菌株。 根据噬菌体的宿主范围可以将细菌分为

10、不同的噬菌型。 利用噬菌体裂解作用特异性进行细菌鉴定。,流行病来源、流行病调查以及病原菌的检测。 工业生产防止噬菌体危害。,噬菌体分型意义,三 氨基酸顺序和蛋白质分析,蛋白质的氨基酸顺序直接反映mRNA顺序，与编码基因密切相关。 对同源蛋白质氨基酸顺序的比较来分析不同生物系统发育关系。同源性越高，亲缘关系越近。 细胞色素、组蛋白、热休克蛋白、转录因子等。 分析方法 血清学方法分析。 蛋白电泳图谱分析。用于种和种以下分类鉴定。,四 核酸的碱基组成和分子杂交,1 DNA的碱基组成,碱基组成是各种生物一个稳定的特征。 用G+C占全部碱基物质的摩尔百分比表示各类生物的DNA碱 基组成特征。 具有相似的

11、G+C含量，则具有亲缘关系近的可能性。 同一种内不同菌株G+C含量差别应在4%-5%以下。 同属不同种的差别应低于10%-15%。 测定方法：热变性温度法；浮力密度法；高效液相色谱法。,2 核酸的分子杂交,不同生物DNA碱基排列顺序的异同直接反映生物之间亲缘关系的远近。碱基排列顺序越小，亲缘关系越近。核酸分子杂交进行微生物的分类。 DNA-DNA杂交：种水平上的分类 DNA-rRNA杂交：属和属以上等级分类。 核酸探针：检测特定核苷酸序列。识别特异核苷酸序列、带标记的一段单链DNA或RNA分子。,五 微生物鉴定,从自然界分离的菌株，需要知道两个问题 “它是不是某一种菌？” “它是什么菌？”,“它是不是某一种菌？”,有针对性。 用已知微生物种类规范的检测方法进行鉴定。 快速鉴定技术。甲型H1N1流感。,“它到