第10章微生物的进化、系统发育和分类鉴定 重点、难点剖析 学习本章的目的是：①学握有关微生物分类学的一些基本概念，了解分类学目前的整 体发展水平：②认识生物大分子被用作系统发育研究的原理，rRNM,尤其是16(18)SrRN 被挑选作为主要研究对象的原因；③掌握分类命名的基本常识，认识分类鉴定特征的分类学 意义 了解分类鉴定方法的发展：④了解“伯杰氏手册”的分类概况 重点是知道运用包 “手册”在内的分类学资料，选择适当的特征测定方法进行微生物分类鉴定。 1.A序列与微生物系统发育，系统树及三域理论的提出。仅仅根据表型特征来推测 微生物的进化谱系和进行系统分类其结果往往是不够准确的。在当代，主要是通过分析和比 较微生物大分子的一级结构特征，即比较蛋白历、A或DNA的分子序特征作为判衙微生 物进化谱系和进行系统分类的主要特征 ,通过比较大分子序列进行谱系分析的理论 础是 这些大分子序列进化变化的显著特点是进化速度相对恒定。这就意味着，分子序列进化 变量（氨基酸或核苷酸的替换数或替换百分）与分子进化的时间成比例。因此，我们就可以 通过比较不同类群生物大分子序列的改变量来确定它们系统发育相关性或进化距离。 目前.把NA特别是16(18)SrNA作为微生物系统发育研究的主要对象.主要是因为 ①它普通存在于各类原核和直核生物中，在生物进化历程中，其功能重要而稳定，而且在分 子中存在高度保 序列区 又有中度保守和高度变化的序列区域，这样就有利于对亲缘关 远近不同的各类生物进行比较：②相对分子质录大小适中，这样在技术上既便于序列测定也 有利于序列瓷料的比较分析， 目前，主要用全序列分析法测序，取得原始的序列资科，然后用计算机进行排序，使 所比较的分子序列同源位点 ·一对应，并两两进行比较，统计两序列同源位点之间碱基的异 (不匹配)同匹配)数值。通常用相似性系数或表示距离的数值来表示微生物之间亲缘关系的 远近，还可以通过寻找印迹序列来进行分类鉴定，构建系统树是系统学的重要任务。伍斯等 根据16(18)SA序列比较所绘制的、通盖所有生物各大门类的“全生命”系统树，是近年 这一领域有影响的重要成果。我们应看懂这个图，但不能认为这就是最后结论，一方面它只 是根据对一些代表生物的研究提出的，随者研究的进一步扩展和深入，还会进一步修改：另 方面，也许生物的系统发生比日前我们所认识的要复杂得多。 三域理论是伍斯通过16(18)SrRA序列比较提出的，随后其他方面的研究也在一定程度 上支持了这一理论，目前己得到较广泛的认同。将古生菌与细菌分开单独作为一域，除了因 为它们的16SA缺乏作为细菌特征的那些序列外，它们还具有下列突出特征区别于细黄： ①细胞壁无胞壁酸：②有酰键分支链的膜：③tRNA的T或TC臂没有胸腺嘘啶：④特殊 的NA聚合酶：同核糖体的组成和形状也不同。古生菌具有与细菌和真核生物相似的特征又 具有显著区别的特征。因而认为，在生物进化的历史中，它们是根源深远的一支进化主干 2。菌株、种及命名模式。在涉及微生物菌种的工作中，操作实体不是“种”而是菌株 同一种不同茵株的某些生物学性状（其中有的性状可能对生产或研究十分重要）往往有重要 区别。所以，我们不仅仅要注意种名，还应注意菌株名称。种作为分类的基本单元是应用极 其广泛的概念，对于缺乏有性生殖的细黄（原核生物），其物种的定义不能用高等生物所用的 “生殖隔离”的标准来界定。种的学名用双名法命名，即由：属名+种名加词两部分构成 这就决定了任何一个种在系统分类中一定归属于某一个属。亚种名为三元式组合，由种的
141第12章微生物的进化、系统发育和分类竖定 名加上亚种名加词构成。按命名法规，要求每一个种都应指定一个菌株为“模式菌株”，所 以，最初被鉴定为该种的菌株通常就被指定为该种的模式菌株，后来可能有许多菌株经鉴定 属于这个种，用同一种名。因此，“模式菌株””并不一定是该种中最典型、最有代表性的装 株。屈内指定模式种也有类似情况 3.“伯杰氏手册”是目前对细菌进行全面分类最权威的文献，《伯杰氏鉴定细菌学手册》 (Bergey‘s Manual of Determinative Bacteriology)自1923年第一版问世以后，1974年 出到第八版（有中译本），1981-1989年间陆续发行新版本，并把书名改为《伯杰氏系统细 菌学手册》(Bergey's Manual of Systematic Bacteriology)第一版，分4卷出版。1994 年又将“系统手册”第一版4卷中有关属以上分类单元的分类鉴定资料经少量修改补充后汇 集成一册，仍用原书名出版，故又称《伯杰氏鉴定细菌学手册》第九版，其出版宗旨是供鉴 定细菌用。该书最断版本一 一《伯杰氏系统细菌学手册》（以下简称“系统手册”）第二版分 5卷将陆续出版 “系统手册”第一版将细菌33组，在1卷中的安排是： 第一卷1广1组，包括一般的、医学、工农业上重要的革兰氏阴性细菌 第二卷12-17组.包括放线菌以外的革兰氏阳性细菌。 第三卷18-25组，包括光合细菌、蓝细菌、古细菌及其他革兰氏阴性细菌」 第四卷26一33组，包括能形成菌丝体的放线菌 “系统手册”第二版与其第一版比较，最大的变化是在很大程度上根据系统发育资料而 不是表型特征对分类单元进行了相当大的调整，它将细菌分成两个域共25门39纲，纲以下 通常也都进行了系统分类。其分类在5卷中的安排如下： 一卷古生茵、蓝细菌、光合细菌以及最早分支的细菌 第二卷变形杆菌（包括形态及生 里学特征极其多样 的 兰氏阴性细菌) 第三卷低G+c含量(50mol甲。以下)的革兰氏阳性细菌 第四卷高G-c含量(50mol%以上)的革兰氏阳性细菌（包括放线茵及相关的革兰氏阳性 细菌)。 第五卷浮露状菌、摆能体、丝杆菌、拟杆菌和衣原达等属革兰氏阴性细菌 请注意各大类群细菌的分类在“系统手册”中的安挂，以便在需要时查阅 4.分类鉴定的特征及技术方法。微生物分类鉴定特征可分两大类：表型特征及遗传型 特征，应了解这些特征及相关的测定方法，明确其分类学意义。 ()传统分类鉴定常用的表型特征及抗原特征。 形态学「群体生长（培养）特征：最重要的是南落特征 作为鉴定 特征 个体形态特征：形状、大小、排列、特殊细胞结构及内含物 和表型分 氏及抗酸性染色体，运动性等 类的主要 营养类型、对碳、氨源的利用，对生长因素的需要 依据，也 华理 需O2性，对温度、PH、盐浓度的适应性，对抗菌剂敏感性 作为系统 生化 特殊的代谢产物 分类的琴 特征 立生其些曲，加氢化陈、过氢化氢到 考特征 与宿主的关系：寄生、 共生 致病性 抗原特征 一血清学反应，主要用于种内血清型的划分，在医学上有重要意义。对噬菌体敏 感性一—噬菌体裂解试验，主要用于种内噬菌体分型，鉴定中应用相对较少。 (2)现代分类鉴定常用的遗传型特征见表12一1. 表12一1现代分类学鉴定常用的遗传型特征
142第12章微生物的进化、系统发育和分类竖定 特征 训定方法 分米学音义 DN碱基组常用：热变性温度法和亲缘关系近的生物c-含量应相似，作为建立分类单元 成： 浮力密度法 项基本特征，把c+心含量差别大的成员排除出分头 单元之外 (G+Cm01% 核酸杂交： 常用1团相杂交法、复主要用于种、属水平的分类鉴定，通常认为同源性0% DNA- DNA性速率法，类似 以上为同种，同源性在20%-30%以上为同一属：主要 DNA DNA杂交测定 用于亲缘关系较远（属和属以上）分类单元的分类鉴定 rRNA 菌落原位杂交 荧光 根据操针的特异性，可用于不同等级分类单元或菌榜 核酸探针 顶位杂交FISH) 的分类鉴定 贵传重组 通过转化、转导或接合 发生同源重组说明亲缘关系密切，但著不发生则无定 试 蛋白质：氨基蛋白质序列测定 主要用于系统发育研究，同源程度越高亲缘关系越近 酸顶序、指纹电冰图谱分粉 由于测序和资料比较分析较困难，目前微生物资料有 图 限蛋白质指纹相似、亲缘关系近。主要用于种和种以 下的分类鉴定 现代微生物快速鉴定技术的发展，除了在有关章节介绍的微生物学及现代免疫学分析鉴定技 术外，较突出的还有3个方面 是微量多项试验鉴定系统，实际上这是经过加 工并商品化 生产销售的各种简易微量生理生化试验系统，其优点主要是简便、经济，不需复杂、昂贵的 实验设备和技术条件，在目前有推广价值二是利用现代仪器设备或专门设计制造的仪器进行 微生物鉴定或检测，这些仪器应用的原本原理都是根据微生物以下3个方面或其中的某一方 面的特征：①不同类群有不同的细胞化学结构和组成：②不同类群有不同的代谢过程和代谢 产物：③不同类群对 指立生 不同的影 现代仪器设备虽然可能 有快建准确、自动 化等优点，但通常技术要求高，价格昂贵，目前难以普及：三是计算机技术在微生物分类鉴 定中的应用。这方面除了用于数值分类之外，它对于大量分类鉴定资料的贮存、分析处理和 自动输出等方面发挥了巨大的作用，这也使分类和鉴定检索过程实现自动化成为可能。但是 计算机不能代替人工进行特征测定取得原始资料的操作过程。 物快速检测仪的原理和主要用途见表12一2 表122现代分类鉴定常用的遗传型特征 名称 测量的厚理 丰要用途 阻抗测定仪 微生物代谢中将培养基的电惰性底物代谢 微生物的快速鉴定，尤其是菌血症、菌 (impedance 成电恬性产物，从而导电性增大 电阻 民症诊检，细茵的快速计数，药敏感性 低。不同微生物代谢活性各不相同，因而阻 的快速测定 抗变化也不相同 放射测量仪 微生物生长繁殖过程中可利用培养基中加 食物和水中微生物的快速恰查，微生物 etric) 有c标记的底物，代谢产生C0,测 代谢的研究，南种鉴定 量，1C0:的含量，确定微生物的状况 微量量热 微生物生命活动过程中均能产生代谢热，不微生物的快速鉴定，临床标本的诊捡， (microcalorimime 同的微生物或不同的底物产生可重复的特 培养基最适成分的评价 or) 正性热“指纹图” 生物发光测量仪 荧光素酶与还原荧光素在一定条件下， 微生物数量的快速测定，环境污染生物 bioluminescence) 微生物的ATP作用，则会产生光。光量的多 量的测定，药敏检测 少与各微生物的特性和数量有关
143第12章微生物的进化、系统发育和分类竖定 自动微生物检测仪 利用光申扫描装景微牛物牛理生化反 快速、全自动对微生物同时或分别进行 (auto microbi 应特性和药敏状况。根据数码分类鉴定法 计数和药敏试验，而且可以直接 system,即AMS 原理，进行计算机处理，快速地全自动打印 用样品检测，不用分离出做生物再用米 出检测的结果 鉴定 主要参考书目 1,卢振祖.细菌分类学.武汉：武汉大学出版社，1994,1-74,324339 2.Prescott L M,Harley J P,Klein DA.微生物学.第5版.中文版.沈 萍，彭珍荣主译.北京：高等教有出版社，2003.428-455，A29-43 3.张胸.生物进化.北京：北京大学出版社，1998.142^154,207-227 第12章微生物的进化、系统发育和分类鉴定19 4.Modigan Martinko ParkerJ.Brock Biology Of Mierooranism.10th ed.Englewood Cliffs:Prentice Hall,2003.322350 (卢振祖)