微生物分类研究现状及典型菌群分析

1、第10章 微生微生 物物 分类研究概况分类研究概况 Streptomyces sp.2主要内容n微生物分类的目的和意义n原核生物的分类系统和典型菌群n极端微生物和古菌n真菌的分类及典型菌群n病毒（自学）3一、微生物分类的目的意义分类、命名和鉴定是分类学中相互关联的三要素分类（classification）的目的是将所有的生物按其相似性进行归群，并依据各群间亲缘关系的密切程度排列成一个等级系统。该系统应尽可能反映各生物种群间自然的系统演化关系，每个种群在这个系统中都应有自己的位置。命名（nomenclature）是按照国际准则给每个物种一个（惟一的）公认的名称，以便于科学界的交流和避免物名的混淆

2、。鉴定（identification）是确定一个新分离物的特征，并将其归属于已存在的分类单位中的过程。4分类学的根本任务是建立物种的系统，这需要基于大量的已知特征的生物个体，而且这些个体应有一个公认的名称，这个系统也为新分离种的确定及新物种的发现提供指导。n微生物分类学(microbial taxonomy)：是一门按微生物的亲缘关系把它们安排成条理清楚的各种分类单位（单元）或分类群(taxon)的科学。n分类：宏观的战略工作鉴定：微观的战术性工作命名：开拓性的创新工作56二、原核生物的分类系统和典型菌群（一）原核生物分类中采用的分类单位u主要分类单位 次要分类单位 界 Kingdom 门 D

3、ivision 亚门 纲 Class 亚纲 目 Order 亚目 科 Family 亚科 属 Genus 亚属 种种 Species 亚种 7关于关于“属（属（Genus)”Genus)”n属是种的高一级分类阶元，通常包含具有某些共同特征或关系密切的种。Goodfellow和ODonnell（1993）认为DNA的G+C mol%差异10%12%及16S rRNA的序列同源性95%的种可归为一个属。n种和属是一个物种所必须具有的属性，一个生物个体的名称则是属名加种的形容词。8“种（Species）”n 种种：凡是与典型培养菌（type culture）密切相同的其它培养菌统一起来区分为细菌的一

4、个种。 (伯杰氏手册) type strain, type speciesn种是分类等级的基本单元，在概念上有下列认识：u1987年国际细菌分类委员会颁布，表观特征高度相似，DNA同源性70%的菌群可定为一个种。u1994年Embley和Stackebrandt认为当16S rRNA的序列同源性97%时可认为是一个种，但多相分类研究认为一个种的确定不应只依据一个单一的标准。 9亚种（subspecies）/变种( variety，)： 某一明显而稳定的特征与模式种不同的种称为模式种的亚种/变种。菌株：(Strain) 菌株表示任何由一个独立分离的单细胞繁殖而成的纯遗传型群体及其一切后代。因此，

5、一种微生物的每一不同来源的纯培养物均可称为该菌种的一个菌株。10n菌型（form）曾用作菌株的同义词，现已废除，仅作若干变异型的后缀。如噬菌体变异型Phagovar、血清变异型Serovar、生物变异型Biovar、形态变异型Morphovar、致病变异型Pathovar等n菌群（group）两种微生物及介于它们之间的一些过渡类型的菌种，具有某些共同性状。如大肠菌群包括大肠杆菌、产气肠细菌及它们之间的过渡类型亚种以下的几个分类名词亚种以下的几个分类名词11菌菌 株（品系）株（品系）n一种微生物的每一不同来源的纯培养物一种微生物的每一不同来源的纯培养物Pure culture或纯分离物或纯分离物

6、Pure isolate都可称为某菌种都可称为某菌种的一个菌株的一个菌株u物种遗传多态性的客观反映物种遗传多态性的客观反映u强调遗传型纯的谱系强调遗传型纯的谱系u菌株与克隆概念相通菌株与克隆概念相通u不同菌株间大同小（生化性状、代谢产物）异不同菌株间大同小（生化性状、代谢产物）异u遗传型纯，当突变时需要重新标注新的菌株名称遗传型纯，当突变时需要重新标注新的菌株名称u菌株名称的标注菌株名称的标注u名称可随意确定：实验室、产地、特征，数字编号名称可随意确定：实验室、产地、特征，数字编号12菌株名称菌株名称n菌株名称=属名+种的加词+菌株代号，菌株代号可随意用字母、符号、编号或字母加编号等自行决定n

7、实例u大肠杆菌K12菌株 E. coli K12uE. coli O157:H7：致病性，抗原特征uBacillus subtilis AS 1.398：产蛋白酶Bacillus subtilis BF 7658：淀粉酶u产黄青霉P. chrysogenum NRRL-Q176u两歧双歧杆菌Bifidobacterium bifidum ATCC 29521n模式菌株菌落、菌株、菌苔、斜面、菌种、培养物、克隆、分离物、纯培养物13（二）原核生物的分类系统n伯杰氏细菌分类系统 伯杰氏细菌鉴定手册是本系统的综合和标准，由美国微生物学会发起编写，最初指定David H. Bergey作为编委会主席，

8、于1923年出版第一版，1994年出版了第九版。手册依据表型表型将细菌划分为33群，将所有细菌归属为原核生物界，并分为4个门：薄壁菌门、厚壁菌门、软壁菌门、疵壁菌门1999年由Geoge Garrity编辑出版了伯杰氏系统细菌学手册第二版，其分类系统完全按16S rRNA系统发育研究重新编排，分31部分，描述了869个属和4928个种。14n原核生物原核生物分类系统分类系统n1991年由Balows主编原核生物 以核糖体RNA序列同源性为基础，首次建立了真正的系统发育树15（三）原核生物的多相分类n多相分类（polyphasic taxonomy）由Colwell 于1970年提出，指利用微生

9、物多种不同的信息，包括表型的、基因型的和系统发育的信息，综合起来研究微生物分类和系统进化的过程。n多相分类包括：传统分类、化学分类、分子分类、数值分类等，是目前研究各级分类单位的最有效手段，可用于所有水平上的分类单位的描述和定义。16微生物分类鉴定方法的四个水平171819表型分类方法表型分类方法表型分类方法表型分类方法应用应用数值分类数值分类 (Numerical taxonomy) 全细胞可溶性蛋白电泳全细胞可溶性蛋白电泳(SDS-PAGE of whole cell proteins) (SDS-PAGE of whole cell proteins) 多位点酶电泳多位点酶电泳 (Mul

10、ilocus enzyme electrophoresis, MLEE )脂肪酸分析脂肪酸分析 (Analysis of whole cell fatty acids) 初步种群划分初步种群划分种或种以下水平分群种或种以下水平分群种或种以下水平分群种或种以下水平分群大量菌株之间的比较、大量菌株之间的比较、聚群聚群20遗传分类方法遗传分类方法 应用应用G+C mol%和和 DNA-DNA 同源性同源性 定种定种16S rRNA 基因序列分析基因序列分析 种、属水平分类种、属水平分类扩增片断长度多态性，扩增片断长度多态性，AFLP种或种水平以下分群种或种水平以下分群16S rDNA随机片断随机片断

11、长度多态性，长度多态性，RFLPrep-PCR 指纹图谱指纹图谱 种、属水平分类种、属水平分类 种或种水平以下分群种或种水平以下分群遗传型分类方法遗传型分类方法21微生物鉴定的基本步骤微生物鉴定的基本步骤n微生物鉴定的基本步骤微生物鉴定的基本步骤u获微生物的纯种培养物（获微生物的纯种培养物（Pure CulturePure Culture）u测定一系列必要的鉴定指标测定一系列必要的鉴定指标u查找权威性的鉴定手册查找权威性的鉴定手册n不同微生物有不同的重点鉴定指标不同微生物有不同的重点鉴定指标u霉菌等形体较大的真菌霉菌等形体较大的真菌 以形态特征为主以形态特征为主u放线菌和霉菌放线菌和霉菌 形态

12、和生理特征兼用形态和生理特征兼用u细菌细菌 形态、生理、生化、遗传等指标形态、生理、生化、遗传等指标u病毒病毒 电子显微镜、生化、免疫、致病性电子显微镜、生化、免疫、致病性22经典的鉴定指标经典的鉴定指标231 传统分类方法传统分类方法n传统分类（traditional classification)也称描述分类，主要以形态特征（morphological characteristics）、培养特征（cultural characteristics）及生理生化特征（physiological characteristics）等表观分类指征（phenotypic information）u传统分

13、类不能确切地说明微生物的遗传进化地位和关系，但它却是认识微生物实际重要性和研究生物进化的基础。u许多医学致病细菌的鉴定一直是依赖于传统分类指标和技术。24n形态特征形态特征：菌体、菌落、是否产芽孢、产芽孢的位置 n培养特征培养特征：不同培养基上的培养特性n生理生化特征生理生化特征：惟一碳源生长试验、蛋白降解试验、酶的产生试验、水解活性试验、抗生素抗性试验、耐盐试验、溶菌酶敏感试验、硝酸盐还原试验25262 数值分类（数值分类（numberical classification)n数据收集数据收集（生化、生理、形态）u一般选择不少于50个实验特征，阳性特征记录为“1”或“+”，阴性特征记录为“0

14、” 或 “-”n计算相似性计算相似性u每一实验菌株（操作单位，OTU）实验特性要分别与其他菌株进行匹配比较相似性（similarity），用相似系数Ssm表示：uSsm = 相同特征的和/特征总数 100% 或 （a + d)/n 100% 其中，a为相同阳性特征数，d为相同阴性特征数，n为特征总数n聚类分析聚类分析u最常用的是：单链锁聚类分析方法（single linkage cluster analysis technique），根据矩阵得出的相似系数，由最高值开始，逐一进行链锁构成树状谱（dendrogram）27表型性状测定结果表型性状测定结果28数值分类结果表示方法数值分类结果表示方

15、法293 化学分类（化学分类（chemotaxonomy）n化学分类是研究微生物细胞不同化学特性，并利用这些特性对生物个体进行分类和鉴定。包括：u细胞壁化学组分（ 肽聚糖中肽链第3位氨基酸的种类、中间肽桥和邻近的四肽交联的位置）u枝菌酸（mycolic acid）（枝菌酸的有无和分子特性是诺卡氏菌形放线菌分类必不可少的化学指征）u脂肪酸（直链、分支和复杂形式的脂肪酸，链长、双键的位置和数量及取代基团在细菌中具有分类意义）u磷酸类脂（膜脂）u甲基萘醌（细胞膜呼吸链成员）u全细胞蛋白及核糖体蛋白电泳分析3031324 4 分子分类分子分类n分子分类是在分子水平上，对生物个体的DNA、RNA和蛋白质

16、进行研究，并根据获得的基因型信息对生物个体进行分类。目前常用的分类方法有：uDNA碱基组成 （G+C mol%, DNA分子中鸟嘌呤G和胞嘧啶C所占的摩尔百分比值）分析uDNA分子指纹分析uDNA-DNA杂交uDNA-RNA杂交及核酸序列分析16S rRNA/rDNA序列分析、rDNA转录间隔区序列分析、随机扩增的多型性DNA分析（ARDRA）等33根据G+C mol%不同原核生物可分为高和低G+C两个类群34随机扩增的多型性DNA分析35各大类生物的各大类生物的GC比比nGCGC比相差低于比相差低于2 2 无分类学意义无分类学意义nGCGC比差别比差别2.52.54.04.0 种内各菌株种内

17、各菌株nGCGC比差别比差别5 5以上：不同种以上：不同种nGCGC比差别比差别1010以上：不同以上：不同属属36测定测定DNA的的GC比的方法比的方法37（四） 关于原核生物的命名n种（不含种）以上的分类阶元是一个独立的词，并拉丁化n种的命名原则双名法双名法学名= 属名属名+ +种名种名+ (首次定名人) + 现名定名人 ( + 定名年份) 用斜体排字 均用正体排字，可省略 每一种微生物的学名由两个拉丁字、希腊字或拉丁化了的其它文字组成；第一个字是属名，用名词，字首字母大写；第二个字是种名，用形容词，字首字母不大写；属名规定了微生物的主要特征，如形态特征、生理特征等；种名补充说明微生物的次

18、要特征，如颜色、形状、用途等；38举例Escherichia coli (Migula) Castellani et Chalmers 1919 大肠埃希氏菌/大肠杆菌Saccharomyces serevisiae var. ellipsoideus 酿酒酵母椭圆变种n亚种的命名原则 “四体结合法四体结合法”排成斜体 排成正体，但可省略 排成斜体39（五）原核生物的典型菌群（五）原核生物的典型菌群n真细菌（eubacteria）是指宇宙生物进化树上细菌域分支中的原核微生物，包括：u高G+Cmol% （50%) G+细菌u低G+Cmol% (50%) G+细菌u支原体（无细胞壁）u蓝细菌（光能

19、营养细菌）u变型菌纲（如根瘤菌、土壤杆菌等）401 高高G+Cmol%革兰氏阳性细菌革兰氏阳性细菌1.1 放线菌亚目(suborder Actinomycineae)u多数为形状不规则、无孢子的杆菌，好氧、兼性厌氧或厌氧，不抗酸，不运动，菌体通常呈膨大的棒状，直或略弯曲。u代表属：放线菌属，通常栖息在人和其他恒温动物的黏膜表面如口腔，与人的放线菌病、眼睛感染和牙周病有关放线菌属代表种形态放线菌属代表种形态411.2 微球菌亚目（suborder Micrococcineae）n代表属：微球菌属和节杆菌属u微球菌属为好氧、触酶阳性的球菌，无枝菌酸，DNA G+Cmol%为6976，不运动，成对、

20、四个或不规则簇状排列，菌落黄色、橙色或红色，多栖息在皮肤，没有显著的致病性u节杆菌属为好氧、触酶阳性，不规则、分枝杆状，主要栖息地土壤，可降解一些除草剂和杀虫剂，对复杂有机化合物的矿化有重要意义。421.3 棒状杆菌亚目（suborder Corynebacterineae）n代表属：棒状杆菌属、分枝杆菌属和诺卡氏菌属u棒状杆菌属为好氧或兼性厌氧，触酶阳性，直或略弯，杆状，菌体末端多为锥形，寄生在油或水中的腐生生物上，有些种无害，多数是动植物致病菌，如白喉棒杆菌u有用的：谷氨酸棒杆菌、钝齿棒杆菌等431.4 小单孢菌亚目（suborder Micromonosporineae）n仅有小单孢菌科

21、，胞壁类型，糖型D，菌丝常为深色，产可溶性色素，无气丝或仅有初级气丝，孢囊梗末端生孢囊，内含游动或不游动无性孢子n栖息在几乎所有类型的土壤中，分解动植物原料如几丁质和纤维素，也是抗生素的重要来源如庆大霉素441.5 丙酸杆菌亚目（suborder Propionibacterineae）n代表属：丙酸杆菌属和类诺卡氏菌属u丙酸杆菌属为形态多样的杆菌，细胞单个或呈短链或丛状，触酶阳性，兼性厌氧，发酵乳酸盐或糖产生大量丙酸和乙酸，伴有CO2。多存在于乳制品中，是瑞士奶酪的生产菌。而粉刺丙酸杆菌与体臭和粉剂的产生有关。451.6 链霉菌亚目（suborder Streptomyceneae）u代表属

22、：链霉菌属，严格好氧，胞壁类型，糖型C，无枝菌酸，孢子成链，不游动，有颜色，光滑或多刺u栖息地土壤，可有氧降解诸多大分子物质如果胶、木质素、角蛋白、乳胶及芳香族化合物等，以产生多种抗生素而著称。461.7 分枝杆菌属（Mycobacterium）微弯或直的杆菌，有时有分枝，生长可呈菌丝体状，革兰氏染色阳性着色弱，抗酸性，无内生孢子或分生孢子。胞壁类型，糖型A，含枝菌酸。广泛分布于土壤、水和动物，多为致病菌，引起人和动物结核病、麻风病和慢性坏死性肉芽肿，如结核杆菌（M. tuberculosis）和麻风杆菌（M. leprae）471.8 诺卡氏菌属（Nocardia）n基丝发达，分枝繁茂，常断

23、裂成杆状至球状体，革兰氏阳性至可变，好氧，过氧化氢酶阳性，生长中某阶段抗酸，能利用各种脂肪酸、烃类、甾类和糖类作为惟一碳源，产胡萝卜素色素，菌落呈各种颜色，形态多样。n广泛分布于土壤，水，动植物组织中，以腐生为主，耐热和干燥，对溶菌酶抗性，一些属于机会性致病菌。一些可产生物絮凝剂。481.9 双歧杆菌目（order Bifidobacteriales）n代表属：双歧杆菌属，不规则杆菌，呈弯、棒状和分支状，单生、成对、V字排列，有时成链，细胞平行成栅栏状或玫瑰花结状，偶呈膨大的球杆状，不运动，厌氧，仅几种可在含10%CO2的空气中生长，pH范围4.58.5，发酵糖类生成乙酸和乳酸，不产CO2、丁

24、酸和丙酸，触酶阴性，需求多种维生素。n分布于肠道、昆虫和垃圾，通常认为是非致病菌。49双歧杆菌的生理功能双歧杆菌的生理功能n维持肠道菌群平衡，治疗肠道功能紊乱n抗肿瘤作用n增加免疫系统的功能n营养作用u代谢产生的酸可促进对维生素D、钙和铁离子的吸收，并合成多种维生素n延缓机体衰老50n产芽孢细菌n乳杆菌属n肉杆菌属n链球菌及有关菌属n李斯特氏菌属n葡萄球菌属n厌氧的革兰氏阳性球菌2 低低G+Cmol%革兰氏阳性细菌革兰氏阳性细菌512.1 产芽孢细菌产芽孢细菌n好氧产芽孢细菌芽孢杆菌属u细胞内产生圆、椭圆或柱状的、高光学反射性的内生孢子，主要的生境是土壤、水体、污染的食品（将样品加热到80 2

25、0min，很容易分离芽孢菌）u生理特征：降解多种化合物，产抗生素，硝化细菌，反硝化细菌，铁离子沉淀细菌，硒和镁离子氧化还原细菌，兼性化能自养细菌，嗜酸、碱、冷及热细菌等52重要好氧芽孢杆菌及应用重要好氧芽孢杆菌及应用n枯草芽孢杆菌（B. subtilis）u诸多的酶制剂生产菌，纳豆生产菌，益生菌等n苏云金芽孢杆菌（B. thuringiensis）u产芽孢伴孢晶体，用作环境安全型的生物杀虫剂n炭疽芽孢杆菌（B. anthracis）u产外毒素，引起炭疽病（黑死病），用作生化武器n蜡状芽孢杆菌（B. cereus）u引起食物中毒（呕吐、胃肠痉挛、痢疾等）53n厌氧产芽孢细菌梭菌（Clostrid

26、ium）及有关细菌u肉毒梭菌（C. botulinum）t产胞外神经毒素u破伤风梭菌（C. tetani）t产痉挛神经毒素和氧敏感的溶血素（破伤风毒素）u产气荚膜梭菌（C. perfringens）t产-毒素和-毒素，引起气坏疽病542.2 乳杆菌属乳杆菌属n乳杆菌属的模式种是德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）u具有益生功能，用于酸奶和奶酪发酵，发酵香肠，泡菜，发酵饲料u常用种：德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌553 支原体（支原体（Mycoplasma）n支原体指那些无细胞壁，细胞又很小的一群原核生物。系统进化上属于革兰

27、氏阳性细菌分支。n支原体形态多样，有杆状或梨状到分枝或螺旋状长丝，抗青霉素，形成特殊的“煎蛋状”菌落。n栖息于呼吸道、尿道、眼黏膜，寄生n多数为致病菌，引起各种慢性病564 蓝细菌（蓝细菌（Cyanobacteria）n单细胞或多种形式存在，或呈细丝状n没有细胞核，没有叶绿体，有70S核糖体n光能营养生物，进行产氧光合作用n在湖泊中过度增殖，能形成水华（bloom），引起水体污染，有的产毒素，有的可用作水污染的指示剂575 变型菌纲（变型菌纲（Proteobacteria）n根瘤菌（Rhizobium）n土壤杆菌属（Agrobacterium）n固氮螺菌属（Azospirillum）n红螺菌属

28、（Rhodospirillum）n假单胞菌属（Pseudomonas）n埃希菌属（Escherichia）n志贺氏菌属（Shigella）n沙门氏菌属（Salmonella）58三、极端微生物和古菌三、极端微生物和古菌n极端微生物u在一些对其他生物是极端或致死的环境中生长和繁殖的一类微生物，称极端环境微生物或极端微生物u嗜热、嗜冷、嗜盐、嗜碱、嗜酸、嗜压微生物（高温、低温、高盐、酸性环境、碱性环境和深海）n古菌u将栖息生境类似于早期（原古）的地球环境（如热、酸、盐等）的一类微生物统称为古菌（Archaea）u厌氧产甲烷菌u极端嗜盐菌u超嗜热菌u无细胞壁的嗜热嗜酸菌59（一）极端微生物类群（一）

29、极端微生物类群n嗜热（适温40以上）和超嗜热微生物（适温80以上）（thermophiles）u膜脂中具有高饱和度的脂肪酸，嗜热蛋白与环境中金属离子形成的盐桥数目增加u由嗜热菌开发的DNA聚合酶（Taq 酶）年销售额在8000万美元以上u由嗜热菌开发的水解酶在洗涤剂、淀粉加工、造纸及乳制品工业中前景远大。u新型代谢物可以产生新的药物、新型表面活性剂u直接应用于生物选矿、煤炭脱硫、工业废气除污等领域60n嗜冷微生物（Psychrophiles）u最高生长温度小于20，最适温小于15，最低温小于0u细胞脂膜含有高比例的不饱和脂肪酸61n嗜盐微生物（halophiles）n在细胞内大量累积钾离子，同

30、时排出钠离子对抗渗透压，产生和积累大量小分子有机物n潜力：细菌视紫红质（生物光学元件）、生物多聚物（如PHA）、药物（如抗体）、酶类稳定剂、嗜盐酶、食品（如亚油酸）、废物转化和降解、遗传分析材料等62四、真菌的系统分类与典型菌群四、真菌的系统分类与典型菌群n真菌（fungi,单数fungus）n描述：具有真核的、能产生孢子的、无叶绿素的有机体，以吸收的方式获取营养，普遍以有性和无性两种方式繁殖，菌体通常由丝状、分枝的体细胞（菌丝）构成，并典型地被细胞壁包裹。全球估计150万种，迄今描述的不足7万种nAlexander Fleming从产黄青霉中发现青霉素获得1928年的诺贝尔奖nBeadle和Tatum从粗糙脉孢霉遗传研究中提出“一个基因一个酶”获得1958年诺贝尔奖63真菌的重要性真菌的重要性n真菌的益处u食用真菌u酿造与食品发酵u有用代谢物（抗生素、免疫调节剂等）u酶制剂u生物防治（白僵菌、除草剂等）u林业（分解）n真菌的害处u植物病害（葡萄霜霉病、玉米黑粉病、小麦黑锈病等）u人