复旦大学微生物学课件13-微生物分类

1、第十章 微生物的分类和鉴定1分类学（Taxonomy）源自希腊语的 taxis (“arrangement”排列) and nomos (“law”法规)Classification (分类）: 由具体到抽象-收集大量描述有关个体的文献资料，整理成科学的分类系统Identification（鉴定）:从抽象到具体-将未识别的生物归类为某一确定分类单元的行为和结果 Nomenclature（命名）: 对每个新的类型微生物进行命名的过程Taxonomy （分类学） is an agreement among people 2分类相关数据库1）NCBI数据库：/Taxonomy 优点：对序列进行比较分

2、析 缺点：有很多错误的分类信息2）RDP数据库： （适用于群落结构分析） 优点1：从NCBI取出16S rRNA基因序列后，通过分析确认其分类信息 优点2：对很多（几百条）序列确定分类信息 3）LPSN数据库： http:/www.bacterio.cict.fr/ 优点：严格按照分类规则建立，能了解不同层次分类（包括典型菌株信息） 缺点：不能比较测序结果，不能进行分类鉴定4） EzTaxon： 优点：包括典型菌株信息，也能比较测序结果，可以进行分类鉴定5）Bergey氏原核生物分类系统：不仅是序列信息，形态学、生化信息全3第一节 通用分类单元Category （taxon, 分类单位）Dom

3、ain （域） - Phylum，Division（门） - Class （纲） - Order （目） - Family (科） - Genus (属） - species (种） （4各级分类单元FungiEukaryaAscomycotaHemiascomycetesSaccharomycetalesSaccharomycetaceaeSaccharomycesS. cerevisiaeBakers yeastSpeciesGenusFamilyOrderClassPhylumKingdomDomainAll organismsM. okinawensisMethanothermococ

4、cusMethanococcaceaeMethanococcalesMethanococciEuryarcheotaNone assigned for archaeaArchaeaMethanococcusE. coliE. coliEscherichiaEnterobacteriaceaeEnterobacterialesGammaproteobacteriaProteobacteriaNone assigned for bacteriaBacteria门域纲目科属种界5种（species）的概念 微生物的种（species，简写sp.，又译物种）是一个基本分类单元，它是一大群表型特征高度相

5、似、亲缘关系极其接近、与同属内其他物种有明显差异的菌株的总称。6具有该种的许多典型性状的模式菌株才是具体的“种”。 菌株又称品系（在非细胞型的病毒中则称毒株或株），表示任何由一个独立分离的单细胞（或单个病毒粒子）繁殖而成的纯遗传型群体及其一切后代。菌株（strain）菌株 (strain) = 纯培养物 (pure culture) = 克隆 (clone)典型菌株（type strain）-或模式种 一个种的具体代表，称为典型菌株。具有该种的许多典型性状。注意：典型菌株一般由两个以上国家的菌种保藏机构保藏，以便备查考、索取和购买。7sp. vs spp.Bacillus sp. （一种芽孢杆

6、菌）Bacillus spp. (若干种芽孢杆菌）Strain (菌株)Escherichia coli K12Type strain (典型菌株） Rhizobium daejeanense L61T 8双名法（binominal nomenclature）双名法属名（generic name）种名加词（specific epithet）9微生物命名 （拉丁文）例: Escherichia coli, E. coli, Escherichia sp. K12， Escherichia sp.，Escherichia spp.,and“the genus Escherichia”属名可用缩写，

7、但种名不能缩写属名可以单独用，但种名必须与属名一起用属名和种名必须要用斜体，当手写时需用下划线文章中第一次用学名时需要用全称，第二次开始属名可以用缩写（但必须与种名一起用）。如果用缩写后可能与其它属引起混淆，就不能用缩写。Escherichia coli K12属名种名菌株名10俗名（common name） 指普通的、通俗的、地区性的名字，具有大众化和简明的优点，但往往涵义不够确切，易于重复，使用范围局限。例如，“结核杆菌” 是Mycobacterium tuberculosis （结核分枝杆菌）的俗名; “红色面包霉”是Neurospora crassa（粗糙脉孢菌） 的俗名。 11学名和

8、俗名比较12命名法（Nomenclature）Approved List of Bacterial Name (International Journal of Systematic Bacteriology 1980, 30:255-429)在 Approved List之前，没有固定的规律来描述新的种e.g., 链霉菌（Streptomyces ）属曾同时包含超过3,000 种 统一的系统 理事会：International committee on systematic bacteriology (ICSB) （系统细菌学国际委员会）规则：细菌命名法的国际法规官方杂志Internatio

9、nal Journal of Systematic Bacteriology （IJSB）International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology （IJSEM） (From 2000)13微生物命名（Nomenclature）流程 分类学的提议(新的分类单位，新的组合)IJSEM中发表其它杂志发表Notification Listin IJSEMValidation List in IJSEM作者委托 IJSEM14Candidatus（候选的）没有纯培养通过有限的信息描述16S rDNAMorphology（形态学）

10、 (荧光原位杂交后 TEM, SEM)Ecology（生态学-生存环境、生长条件）其它信息（全基因组分析等）15厌氧氨氧化的2个新种-16sRNA，原位杂交后电镜观察可见其形状、大小16第二节 微生物在生物界的地位一、生物的界级分类学说三域17现在： 三域+ 病毒域二、三域学说及其发展 三域学说是70年代末由C.R. Woese对大量微生物和其他生物进行16S和18S rRNA的寡核苷酸检测，并比较其同源性水平后提出的。域：一个比界更高的界级分类单元。细菌域古生菌域真核生物域18BacteriaEukaryaArchaeaProkaryotesEukaryotesMacroorganisms三

11、域学说19三域学说及其生物进化谱系树20Nature, 2013,Dec. 1221广古生菌泉古生菌真核生物产液菌/产氢菌绿色非硫化细菌异常球菌螺旋体绿色硫细菌类杆菌黄杆菌浮霉状菌衣原体格兰氏阳性菌蓝细菌栖热孢菌硝化螺旋菌变形菌22细菌域古生菌的主要类群甲烷球菌甲烷栖热菌甲烷杆菌古生球菌嗜盐甲烷菌甲烷八叠球菌热原体甲烷螺菌盐杆菌盐球菌甲烷嗜热菌热网菌热变型菌热球菌硫化叶菌硫还原球菌KorarchaeotaCrenarchaeotaEuryarchaeota广古生菌泉古生菌古古生菌23古古生菌门泉古生菌门广古生菌门嗜盐嗜酸厌氧产甲烷24海洋广古生菌门海洋泉古生菌门奇古菌门25广古菌门泉古菌门Be

12、rgey氏原核生物分类系统纲要1. 伯杰氏鉴定细菌学手册1923年2. 伯杰氏系统细菌学手册1984年细菌分类鉴定的两本权威手册第三节 各大类微生物的分类系统刚要261923年第1版1925年第2版1930年第3版1934年第4版1939年第5版1948年第6版1957年第7版1974年第8版1994年第9版1、伯杰氏鉴定细菌学手册 第9版的伯杰氏细菌鉴定手册设立35个群，将古生菌部改编为5个群，全书描写约500个属。划分为四大类：第一类 具细胞壁的革兰氏阴性细菌 第二类 具细胞壁的革兰氏阳性细菌 第三类 无细胞壁的细菌 第四类 古生菌 27Bergeys Manual of Determin

13、ative Bacteriology 9th Edition 伯杰氏鉴定细菌学手册1994年第9版，撰稿人多达300多位，涉及20个国家。鉴定手册包括35个群细菌。28伯杰氏系统细菌学手册第1版（1984年）是在伯杰氏鉴定细菌学手册第8版（1974年）的基础上，根据10多年来细菌分类所取得的进展编写的。系统手册的新内容：G+C mol%、核酸杂交、16 S rRNA寡核苷酸序列等系统发育方面的资料，特别是许多新的分类单元的划分，都是经过核苷酸序列比较后提出的。2、伯杰氏系统细菌学手册19841989年第1 版20012012年第2 版29第一卷：一般医学和工业方面重要的革兰氏阴性细菌。第二卷：

14、放线菌以外的革兰氏阳性细菌。第三卷：古细菌、蓝细菌及其他革兰氏阴性细菌。第四卷：放线菌。伯杰氏系统细菌学手册(第1版)30Bergeys Manual of Systematic Bacteriology (2nd Edition ) Springer, New York Volume 1(2001) TheArchaeaand the deeply branching and phototrophicBacteria（古生菌及其分支和光和细菌）Volume 2(2005)TheProteobacteria （变形菌门）Volume 3(2009)TheFirmicutes （厚壁菌门）Vol

15、ime 4 (2011) TheBacteroidetes,Spirochaetes,Tenericutes(Mollicutes),Acidobacteria,Fibrobacteres,Fusobacteria,Dictyoglomi,Gemmatimonadetes,Lentisphaerae,Verrucomicrobia,Chlamydiae, andPlanctomycetes （拟杆菌门等微生物量少的菌）Volume 5(2012)TheActinobacteria （放线细菌门）31真菌界子囊菌门担子菌门接合菌门壶菌门无性型真菌类子囊菌纲酵母菌纲裂殖酵母纲外囊菌纲新乳霉纲肺囊霉

16、纲担子菌纲锈菌纲黑粉菌纲接合菌纲毛菌纲目前得到学术界较广泛采用的是Ainsworth的分类系统。Ainsworth等人的菌物分类系统纲要第九版（2001）321、基于生理学特征的经典鉴定方法：基于少数的形态学和生理学的性质基于主观的选择性（指标）的试验缺少均一性 (标准化)第四节 微生物分类鉴定方法332、数值分类鉴定基于借助于计算机分析大量的表型的性质(e.g. 300 strains x 200 tests)更多的分析项目同样缺乏均一性（选择的项目仍有主观性）费力的API 细菌数值鉴定系统 (API system)Biolog细菌数值鉴定系统 343、现代分类鉴定方法Committee o

17、n Reconciliation of Approaches to Bacterial Systematics of International Committee on Systematic Bacteriology (ICSB， 细菌系统学国际委员会) - Wayne et al. (1987) IJSB 37:463-464细菌的物种应该反应基因组的关系基于直接或间接的测量基因组核苷酸序列的比较基因组测序 (直接的) 理想的，但以前是不切实际DNA-DNA 杂交 (间接的)种的定义在最优化的杂交温度下，全基因组杂交，70结合（同源性） Tm 小于5度【The phylogenetic d

18、efinition of species generally would include strains with approximately 70% or greater DNA-DNA relatedness and with 5C or less Tm. Both values must be considered. 】 (属于同一个种的标准：Tm 小于5度，且杂交同源性大于等于70%)35DNA-DNA杂交: 方法间接地评价两个菌株的基因组的亲缘关系缺点:- 无法鉴别属以上的水平（定种可以） - 费力（分别提取），昂贵- 无法产生数据库36Small subunit rRNA (rDN

19、A)（小亚基核糖体RNA）基因测序 ： 用目标基因代表整个基因组 (rDNA, rpo, gyr)SSU rRNA（ Small subunit ribosome RNA ）优点：存在于大多数物种 (真核生物, 古细菌, 真细菌)便于测序基于保守区域的PCR (ca. 1,500 nt)基于保守区域的测序大型数据库 2,000,000 small subunit rDNA sequences 3716S rRNA在结构和功能上的作用3816S rRNA gene 在分子分类学应用16S rRNA 所有的细菌都具备的古老的分子 功能恒定 普遍分布 系统发生距离上中度保守More than 2,0

20、00,000 of 16S rRNA gene sequences are currently available on RDP.39ProcaryoteEukaryoteOveral size70S80SSmall subunit30S40S Number of proteins2130 RNA size (number of base)16S(1500bp)18S(2300bp)Large subunit50S60S Number of proteins3450 RNA size (number of base)23S (2900bp)5S (120bp)28S (4200bp)5.8S

21、(160bp)5S (120bp)核糖体（Ribozome) structure线粒体和叶绿体的核糖体跟原核生物的核糖体更相似40DNA杂交和16S rRNA基因相似度关系16S rDNA 序列相似度97时其DNA-DNA杂交值97时不好估计DNA-DNA杂交值。10041分类的方案16S rDNA 测序不同的分支属水平的鉴定（小于95%)新的属Genomic species新的种化学的，表型的数据的支持Yes现有的物种单元物种： 16S rDNA 相似度A 95%A=97%种内DNA-DNA杂交物种： 大于97% 16S rDNA 相似度同源性大于等于70%，同一个种同源性小于70%，不同种

22、（99% 16S rDNA” 或“相同的 GC 含量” 都有可能对应 “70% 杂交值”)Hybridization value 70% : same species61DNA-DNA 杂交概述基因组 DNA纯化靶 DNAs的固定预杂交生物素标记的探针 DNA杂交和酶反应检测62靶 DNAs的固定 Brevibacterium casei DSM 20657T AJ251418 Brevibacterium linens DSM 20425T X77451 Target Brevibacterium iodinum NCDO 613T X76567Probe: strain of interestBrevibacterium aureum Enb15 AY299092Brevibacterium aureum Enb17 AY29909395998391970.01 感兴趣的菌株相关微生物完全无关的 e.g. E. coli变性(+) control靶(-) control单链 DNAs固定到膜上washing洗出未结合的 DNAs63与鲑鱼精DNA预杂交 鲑鱼精 DNA 是与细菌 DNA完全无关的DNA. 充当非特异性的配体 使靶 DNA中未结合的受体饱和 去除非特异性的 DNA-DNA