微生物进化和系统学

微生物进化和系统学微生物进化和系统学早期地球生命起源和微生物的多样性确定进化关系的方法微生物的进化微生物分类学及其系统发生关系早期地球生命起源和微生物的多样性

地球的进化和早期生命形式原始生命:RNA世界和分子编码能量和碳代谢真核生物和细胞器:内共生1.1早期地球生命起源和微生物的多样性

地球的进化和早期生命形式地球的起源地球本身大约已经存在46亿年.一个极热而巨大的星球爆炸后形成了太阳及太阳系的其他成员.目前已经发现的最古老的岩石可追溯到大约40亿年前.

原始岩石有3种类型:沉积岩火山岩和碳酸岩.最早的沉积岩具有特殊的进化意义.因为沉积岩的形成需要液态水.因此,既然沉积岩在地球上大约40亿年,就表明那个时候就存在液态水,也许以海洋湖波形式存在.早期地球存在微生物生命的证据

原始岩石中存在微生物的证据依赖于带有细胞的化石和这些岩石中同位”轻”碳丰度(可利用同位素分析碳和硫作为生命过程的依据).一些原始岩石中含有微小细胞的化石,典型的有杆状和球状菌.在35亿年或更早一些岩石里,含有微生物丰富的叠层石形成.叠层石是由丝状原核生物和截留的沉积物组成的微生物垫化石.通过和现代叠层石比较发现,古代叠层石可能与绿色非硫细菌绿屈挠属有关.早期地球的环境:热而缺氧

除了水之外,还存在不同的气体,最丰富的是甲烷二氧化碳氮气和氨气,还有痕量的一氧化碳和氢气,还有相当数量的以硫化氢和硫化亚铁混合物形式存在的硫化物还有相当数量的氰化物存在.

大多数证据表明早期地球比现在热.若假设在地球依然相当热的某个时候第一次出现了自我复制的实体,那早期地球生命形式似乎是及其耐热的.生命的起源气体能量

能量最可能来源太阳的紫外线(UV)的辐射放电放射性活动陨石撞击产生的热量和火山活动的热量和火山活动的热能。催化作用和蒙脱石黏土的重要性

在早期地球上想要得到自发合成的大分子，必须存在催化剂。粘土和黄铁矿的表面具有良好的可能性。这些表面将为大分子的合成及积累的大分子形成有机膜提供一个稳定且相对干燥的环境。经过长时期积累后，这些膜中可能会产生原始的自我复制的结构。如：蒙脱石黏土是极好的催化表面，在有脂肪酸和蒙脱石黏土时，能触发细胞的小脂囊泡形成。1.2原始生命最早能自我复制的实体是什么样的呢？最简单的自我复制实体也都显示这两个特征：1获得能量的手段；2一些遗传形式。但是这些特征需要细胞结构吗？能量来源于他们催化的反应放出的热量。人们推测早期生物与现代细胞相像但只含有几个基因，具有优先的转录和翻译能力。随后发现，某些类型的核糖体核苷酸是催化剂。那么，最早的生命形式可能不完全是细胞而是裸露的RNA。可能就是“RNA生命”时代，当时的RNA具有执行催化和遗传编码两种功能。RNA生命在RNA世界里——如果它曾经存在过，各种自我复制的RNA可能执行着对于它们自我复制必不可少的催化反应。各种催化性RNA能够催化几种不同的反应，包括自我复制。而且，某些核酶能利用糖和含氮碱基合成核苷酸，把氨基酸聚合成多肽。当被包裹进脂蛋白囊泡中时，自我复制的RNA生命就进化为最早的细胞生命形式，可能和蒙脱石黏土囊泡相似。当这些结构复制的时候，自然选择可能推动了他们的进化过程。现代细胞：DNA---RNA---蛋白质为什么会出现DNA细胞？1.由于细胞需要把遗传信息保存在细胞的某一地方，并保持一种稳定的形式，从这里基因被表达产生蛋白质。2.RNA作为遗传物质的不稳定性可能导致DNA系统的出现。在微生物进化早期的某个时候，三部分系统(DNARNA和蛋白质）变成细胞中生物信息过程的固定的最佳组分。原始生命：能量和碳代谢

生命是一个高度有序的过程。把各种各样的分子聚集起来使之成为一个复杂的生物机器——细胞，这一过程需要能量。直到进化出现了蓝细菌，分子氧在地球上才大量的聚积。各种各样的有机化能营养无机化能营养的能量产生机制和一些光能合成就在缺氧条件下发生了。

含有铁离子的反应经常被认为是原始生物产生能量的反应。氧分子：铁条带形成大气层中的氧气的产生

生养光合作用的出现对地球产生了深刻的影响，因为随着氧气的积累，大气层从无氧变成有氧。氧出现的另一个重要影响就是臭氧的形成，臭氧能提供一个屏障来阻止太阳辐射的强烈紫外线到达地球。随着光合作用产物氧气的产生及随后的臭氧层的出现，微生物就能够遍布整个地球表面，从而允许生物更多样化的进行。1.3真核生物和细胞器：内共生

内共生现代真核细胞（含有细胞器)并不是随着细胞功能分化成封闭成的结构——细胞器而逐渐出现的。细胞器是起源于有机化能营养和光氧微生物稳定的内共生细菌。可能开始是一个好氧细菌在原始真核生物的细胞质中定居，并为细胞提供能量以换取稳定的保护性环境及现成的养分供给。这个过程就叫内共生。若一些真核细胞没有吸收过内共生体或者是吸收后来又分泌出去，可能是因为它们生存的小环境是厌氧的。内共生作用并不是一蹴而就的。不稳定的或有害的共生体没有被保持，而有益的却保存下来了。从这些共生体中诞生了现代真核细胞。确定进化关系的方法进化计时器作为分子进化工具的rRNA序列特征序列系统发生探针和微生物群落分析2.1进化计时器分子计时器的标准分子计时器必须普遍分布在所研究的群体中；该分子在每种生物中必须具有功能同源性；该分子应具序列保守区以便对分析的序列进行排序;该分子序列应能以所研究生物作为一个整体来反映其进化变化.事实上,测定的系统发育距离越大,序列变化率就必定越慢,这是因为长时期太多的变化搅乱了进化信号.

许多基因和蛋白质被定为进化计时器.进化计时器中应用最广泛的核糖体RNA(ribosomal

RNA,rRNA)作为进化计时器的核糖体RNA

rRNA的一些特征使其成为极好的进化计时器.rRNA相对较大,功能稳定,分布广泛,并且包含着一些所有细胞保守性的核苷酸序列.rRNA分子有三种类型,在生物中分别是5S16S23S.测序16SrRNA,因为它是核糖体小亚基的一部分.

rRNA序列有一个巨大的数据库.把rRNA作为系统发育工具,并广泛应用与生物学领域.作为分子进化工具的rRNA序列由于分子生物学和计算机分析的结合,获得了rRNA序列及创建的系统发育树的方法.

测序的方法:假设我们研究的是微生物的纯培养物,为了开始这一程序,先用聚合酶链反应(PCR)扩增基因编码中编码16rRNA的基因.紧接着,PCR产物用双脱氧法测序.采用与rRNA小亚基保守序列互补的序列作为PCR引物仅少量细胞样品就能产生大量用于测序的DNA样品.一旦序列被测定,序列数据就能用于电脑分析.通过RNA序列构建系统发育树对于rRNA测序,可以利用不同序列分析和系统发育树建立的推算方法.然而,不管用什么程序,原始数据必须首先与以前用序列编辑软件排好的序列排成一条线.并不是所有的rRNA都有完全相同的长度.排序过程中一序列比另一序列短所造成的缝隙必须被插入,然后把排好的序列输入到一个形成系统发育树的程序中进行比对分析.

两个应用最广泛的获得系统发育树的方法是距离法和简约性法.用距离法构建的系统发育树,先把序列排位,然后通过计算机记录数据库中序列有差异的位置来计算进化距离.根据这些数据,可以构造出一个显示数据库中任意两个序列ED的矩阵.接着,把一个系统校正因子引入ED,判断在每一个定位点发生多于一种变化的可能性.一旦计算了这种可能性,就能获得一个系统发育树,该树上线的长度与进化距离是成正比的.简约性法,是另一种普遍用于系统发育学分析的方法,它基于这样一个假设获得的进化树:在进化分支过程中确实存在把来自相同祖先的两个谱系分开所必需的最小序列变化量.像距离程序一样,这一方法需要一个特殊的数据库计算序列差异的数目.虽然相同的数据分别用这两种方法构建的系统发育树的分支顺序可能确实不大相同,因此,单一的系统发育树不可能最后确定所研究生物的进化关系.任何一种系统发育树都仅被认为比较接近某一群体的真正系统发育关系.

2.3特征序列系统发育探针和微生物群落分析特征序列

rRNA序列的计算机分析揭示了特征序列,这种序列是单独存在于某些生物类群中的短寡聚核苷酸.由于其特异性,特征序列十分有用.例如,特征序列有助于将新分离出的或以前被错误分类的生物置于正确的系统发育类群.最普遍的用途是用来设计称为系统发生探针的特异核苷酸探针.系统发生探针和FISH

探针是一段可以被标记的用来与混合物中的互补核酸杂交的核酸链.探针可以是通用的也可以是特定的.例如,合成的通用核糖体RNA探针可以与所有生物的核糖体RNA的保守序列结合,不管它们是哪个域的.相反,特异的核酸探针可以被设计成只与细菌中的一些种反应.

当探针上连接荧光染料时,探针与细胞内核糖体的结合就可以在显微镜下观察到.用适当的试剂处理细胞后,细胞膜就变得具有通透性并且探针染料混合物通过。探针与核糖体RNA中的rRNA直接杂交以后，细胞变得带有荧光并能够在荧光显微镜观察，这种技术就叫做荧光原位杂交（FISH）。FISH是一种系统发育的染色方法，被广泛应用于微生物生态学和临床诊断中。微生物群落分析利用PCR技术来扩增来自群体中所有成员的编码SUUrRNA的基因，从而获得自然微生物群落的系统发生。这些基因很容易地被分离测序和排序，根据这些数据，可以从“环境”序列中获得一个系统发育树，它会显示出群落中存在的不同rRNA。从这个树中，特定的生物体可以被测定出来。这种微生物群落分析揭示了许多微生物群落结构和微生物间的相互作用的重要特征。微生物进化从rRNA序列获得的微生物系统发育史生物各个域的特征3.1从rRNA序列获得的微生物系统发育史生命通用的系统树展示了所有细胞生物的进化历史并且清楚的揭示了生命的3个域。细菌古生菌真核生物生物各个域的特征细菌古生菌真核生物细胞壁含有肽聚糖不同的化学成分纤维素和几丁质脂类脂肪酸以酯键与甘油分子相连，脂肪酸是直链分子长链分支碳水化合物以醚键与甘油相连脂肪酸以酯键与甘油分子相连RNA聚合酶4种多肽互相结合的比例是2：1：1：1比细菌复杂，一些含有8个或更多多肽3种含有10~12个多肽蛋白质合成特征tRNA含有一个修饰的甲酰甲硫氨酸tRNA含有一个没有修饰的甲硫氨酸tRNA含有一个没有修饰的甲硫氨酸域的其他特征特征细菌古生菌真核生物原细胞结构是是否DNA以共价闭合环状形式存在是是否存在组蛋白否是是膜封闭的细胞核不存在不存在存在多数基因中的内含子否否是操纵子mRNA加帽和polyA加尾是否是核糖体对白喉毒素的敏感性否是是质粒是是极少需要转录因子否是是启动子结构-10和-35TATA框TATA框产甲烷否是否反硝化作用是是否微生物分类学及其系统发生关系经典分类学化学分类学4.1经典分类学传统上的细菌分类依赖于表型分析。如某个生物看起来像什么，它的能量代谢，它的酶及其他的特征。在经典的细菌分类学中，会测定几种表型特征，得到的数据用于把一种生物在分类学阶梯上从种分到域。包括形态营养和生理及生活习性。为了鉴定一种生物，必须评估它的几种表型特征，从一般到特别。GC比率

GC的百分比被定义为：一个生物的DNA中鸟嘌呤加上胞嘧啶所占的百分比。有几种方法能测定这个百分比，包括测定DNA的溶解温度或者色谱方法。如果两种生物的GC百分比的差异大于5%左右，他们DNA相同序列就少。4.2化学分类学基因组DNA:DNA杂交核糖体分型多位点序列分型脂肪酸分析：FAMEDNA:DNA杂交如果两种生物的DNA有很多相同的核苷酸序列，它们可能含有很多高度相似的基因。因此，这两个DNA可以相互杂交，杂交的结果与它们基因序列的相似性成比例。当rRNA测序不能确定的时候基因组杂交对于区分关系非常近的生物就很有用。在杂交试验中，分离自一种生物的DNA用P32或H3进行放射性标记，剪贴成相对小的片段，加热使之变性，并与分离自第二种生物用同样方法处理的过量为标记的DNA混合在一起，然后将DNA混合降温退火，并将双链DNA与未杂交的DNA分离。然后，检测杂交DNA的放射活性，并与对照组进行比较，对照组是100%的杂交度。核糖体分型核糖体分型是一种用于细菌鉴定的技术，它是利用rRNA的系统发育特征的方法。把一种生物的D