微生物分类与鉴定工业微生物学.pptx

第十章第十章 微生物分类与鉴定微生物分类与鉴定本章内容本章内容一、分类单元一、分类单元二、命名规则二、命名规则三、分类鉴定方法三、分类鉴定方法四、微生物的分类系统四、微生物的分类系统 据保守估计，地球上据保守估计，地球上真菌约真菌约150150万种，细菌万种，细菌4 4万种，病毒万种，病毒130130万种万种但认识的微生物仅是估计数量的但认识的微生物仅是估计数量的5 510%10%，即，即1515万万2020万种万种要认识、研究和利用类群庞大的微生物资源，要认识、研究和利用类群庞大的微生物资源，必须对它们进行分类。必须对它们进行分类。分类分类(classification)：根据一定的原则根据一定的原则(表型特征相似性或系表型特征相似性或系统发育相关性统发育相关性)对微生物进行对微生物进行分群归类分群归类，根据相似性或相关性，根据相似性或相关性水平水平排列成系统排列成系统，并对各个分类群的特征进行描述，并对各个分类群的特征进行描述，以便查以便查考和对未被分类的微生物进行鉴定考和对未被分类的微生物进行鉴定。(根据现有数据建立系统的过程根据现有数据建立系统的过程)分类学的具体任务有三个：分类学的具体任务有三个：鉴定鉴定分类、分类、命名、命名、命名命名(nomenclature)：是根据命名法规，给每一个分类群一个专有是根据命名法规，给每一个分类群一个专有的名称。的名称。鉴定鉴定(identification或或determination)：借助于现有的微生物分类借助于现有的微生物分类系统，通过特征测定，确定未知的、或新发现的、或未明确分类系统，通过特征测定，确定未知的、或新发现的、或未明确分类地位的微生物所应归属分类群的过程。地位的微生物所应归属分类群的过程。(根据现有系统确定未知微生物分类归属的过程根据现有系统确定未知微生物分类归属的过程)1.种以上的系统分类单元种以上的系统分类单元界界门门纲纲目目科科属属 种种（基本分类单元）（基本分类单元）一、分类单元一、分类单元七级七级根据根据Carl Woese的理论，现在还在界之上使用的理论，现在还在界之上使用域域(domain)，即：即：古生菌域、细菌域、真核生物域古生菌域、细菌域、真核生物域。图图10-5 生命世界的系统发育树状图（生命世界的系统发育树状图（Olsen&Woese 1993）种是生物分类中种是生物分类中基本的分类单元基本的分类单元和分类等级。和分类等级。微生物的种：微生物的种：指具有指具有高度特征相似性高度特征相似性的的菌株群菌株群，这个菌株群，这个菌株群与其他类群的菌株有很明显的区别。与其他类群的菌株有很明显的区别。2.种（种（species）由于细菌分类单元的划分缺乏一个易于操作的统一标准，由于细菌分类单元的划分缺乏一个易于操作的统一标准，为了减少因采用不同标准界定分类单元所造成的混乱，为了减少因采用不同标准界定分类单元所造成的混乱，细菌系统分类也像其他生物分类一样采用细菌系统分类也像其他生物分类一样采用“模式概念模式概念”种种和和亚种亚种指定指定模式菌株（模式菌株（type strain）；如：大量的豌豆根瘤菌如：大量的豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum)菌菌株中，只有菌株株中，只有菌株 USDA2370才是模式菌株。才是模式菌株。亚属亚属和和属属指定指定模式种（模式种（type species）；属以上至目属以上至目级分类单元指定级分类单元指定模式属（模式属（type genus）.3.种以下的分类单元种以下的分类单元1）亚种）亚种(subspecies)和变种和变种(variety)：种内的不同菌株存在少：种内的不同菌株存在少数明显而稳定遗传的变异特征数明显而稳定遗传的变异特征，这种差异又不足以区分成新，这种差异又不足以区分成新种时，可以细分成亚种或变种。种时，可以细分成亚种或变种。2）型）型(form或或type)：常指亚种以下的细分。当同种或同亚种常指亚种以下的细分。当同种或同亚种不同菌株之间的性状差异，不足以分为新的亚种时，可以细不同菌株之间的性状差异，不足以分为新的亚种时，可以细分为不同的型。分为不同的型。例如：抗原特征的差异，分为不同的例如：抗原特征的差异，分为不同的血清型血清型；对噬菌体裂解反应的不同，分为不同的对噬菌体裂解反应的不同，分为不同的噬菌体型噬菌体型3）菌株）菌株(strain)：从自然界中分离得到的从自然界中分离得到的任何一种微生物的纯培养任何一种微生物的纯培养 物物都可以称为一个菌株；用实验方法都可以称为一个菌株；用实验方法(如通过诱变如通过诱变)所获得所获得 的某一菌株的变异型，也可以称为一个新的菌株，以便与的某一菌株的变异型，也可以称为一个新的菌株，以便与 原来的菌株相区别。原来的菌株相区别。菌株是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体菌株是微生物分类和研究工作中最基础的操作实体菌株与型的区别：菌株与型的区别：菌株之间菌株之间不存在鉴别特征的差异不存在鉴别特征的差异，命名不同的菌株无需分类学依，命名不同的菌株无需分类学依据；据；不同型的细菌之间不同型的细菌之间存在鉴别特征的差异存在鉴别特征的差异，命名或鉴定不同的型必，命名或鉴定不同的型必需有分类学依据。需有分类学依据。4）培养物：）培养物：一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物，一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物，如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物。如微生物的斜面培养物、摇瓶培养物。5）群：）群：一个物种转变成另一个新物种，必然要经过一系列一个物种转变成另一个新物种，必然要经过一系列的过度类型，因此在两个不同种微生物之间常出现一些介于的过度类型，因此在两个不同种微生物之间常出现一些介于两个菌种之间的中间过度类群。通常将这两种微生物和介于两个菌种之间的中间过度类群。通常将这两种微生物和介于它们之间的微生物类群称为群。如大肠菌群。它们之间的微生物类群称为群。如大肠菌群。二、微生物的命名二、微生物的命名微生物名称：微生物名称：俗名（俗名（common name）学名（学名（scientific name）（1）学名学名国际命名法规：国际命名法规：双名法：双名法：属名属名 +种名加词种名加词属名在前，一般用属名在前，一般用拉丁文名词拉丁文名词表示，表示，字首字母大写字首字母大写种名在后，常用种名在后，常用拉丁文形容词拉丁文形容词表示，表示，全部小写全部小写 一般用斜体表示一般用斜体表示 当两个或多个学名排在一起时，若它们的属名相当两个或多个学名排在一起时，若它们的属名相同，则同，则后面的属名可缩写后面的属名可缩写成成1个、个、2个或个或3个字母，在个字母，在其后加一个点。其后加一个点。如如：Bacillus可缩写成可缩写成“B.”或或“Bac.”若所分离的菌株只鉴定到属而未鉴定到种，用若所分离的菌株只鉴定到属而未鉴定到种，用sp.（单数）（单数）或或 spp.（复数）（复数）表示。表示。如：如：Bacillus sp.（2）在分类学文献中）在分类学文献中 学名学名=属名属名+种名种名+（首次定名人）（首次定名人）+现名定名人现名定名人+现名定名年份现名定名年份 必要（斜体）必要（斜体）可省略（正体）可省略（正体）（3）三名法）三名法 有有亚种亚种或或变种变种时，学名由时，学名由“三名法三名法”构成构成 学名学名=属名属名+种名加词种名加词+subsp 或或 var +亚种或变种的加词亚种或变种的加词 斜体斜体 正体（可省略）正体（可省略）斜体（不可省略）斜体（不可省略）三、微生物分类鉴定的方法三、微生物分类鉴定的方法菌种鉴定步骤：菌种鉴定步骤：获得纯培养物获得纯培养物测定必要的鉴定指标测定必要的鉴定指标查找权威性的菌种鉴定手册查找权威性的菌种鉴定手册分类鉴定方法：分类鉴定方法：经典分类鉴定法经典分类鉴定法微生物遗传型的鉴定微生物遗传型的鉴定细胞化学成分的鉴定细胞化学成分的鉴定 现代方法现代方法数值分类法数值分类法（一）（一）经典分类鉴定法经典分类鉴定法 形态学特征形态学特征 生理学特征生理学特征 生态学特征生态学特征经典鉴定指标：经典鉴定指标：生活史，有性生殖情况生活史，有性生殖情况 血清学反应血清学反应 对噬菌体的敏感性对噬菌体的敏感性 其他其他形态和生理生化特征形态和生理生化特征是最常用是最常用的细菌分类、鉴定指标的细菌分类、鉴定指标 在生物学表型为指标的传统方法，正在向在生物学表型为指标的传统方法，正在向微量化、微量化、简便化、快速化、智能化简便化、快速化、智能化的方向发展。目前，已有商品的方向发展。目前，已有商品化的鉴定系统，如：化的鉴定系统，如：APIAPI系统系统 “EnterotubeEnterotube”“BiologBiolog”全自动和手动系统全自动和手动系统 按大量按大量表型性状表型性状的相似性程度进行统计、归类的相似性程度进行统计、归类 特点特点:使用尽可能多的性状，每个性状同等重要。使用尽可能多的性状，每个性状同等重要。步骤:(1)收集菌株，选择性状收集菌株，选择性状 (2)性状编码 (3)相似性计算:计算相关系数计算相关系数Ssm或或Sj：Ssm=（a+c）/(a+b+c)正负正负反应性状反应性状 Sj=a/(a+b+c)正正反应性状反应性状 Sj 8085%种种 Sj 65%属属 (4)系统聚类系统聚类 (5)聚类结果的表示 1.数值分类法（统计分类法）数值分类法（统计分类法）（二）（二）现代分类鉴定方法现代分类鉴定方法2.微生物遗传型的鉴定微生物遗传型的鉴定特点：特点：与形态及生理生化特性的比较不同，对与形态及生理生化特性的比较不同，对DNA的碱基组成的碱基组成的比较和进行的比较和进行核酸分子杂交核酸分子杂交是是直接比较不同微生物之间直接比较不同微生物之间基因组的差异基因组的差异，因此，因此结果更加可信结果更加可信。（1）DNA碱基比例的测定碱基比例的测定 测测“GC比比”：(G+C)mol%=（G+C）/（A+T+G+C）100%分类学上，用分类学上，用G+C占全部碱基的克分子百分数来占全部碱基的克分子百分数来表示各类生物的表示各类生物的DNA碱基组成特征。碱基组成特征。DNA碱基组成是各种生物的一个稳定特征，即使碱基组成是各种生物的一个稳定特征，即使个别基因突变，碱基组成也不会发生明显变化。个别基因突变，碱基组成也不会发生明显变化。a）每个生物种都有特定的每个生物种都有特定的GC%范围，因此后者可以范围，因此后者可以 作为分类鉴定的指标作为分类鉴定的指标。细菌的。细菌的GC%范围为范围为25-75%，变化范围最大。变化范围最大。b）GC%测定测定主要用于对表型特征难区分的细菌作主要用于对表型特征难区分的细菌作 出鉴定出鉴定，从分子，从分子 水平上判断物种的亲缘关系。水平上判断物种的亲缘关系。c）GC%的比较，主要用于分类鉴定中的的比较，主要用于分类鉴定中的否定否定.亲缘关系近的生物，它们应该具有相似的亲缘关系近的生物，它们应该具有相似的G+C含含 量，量，但具有相似但具有相似G+C含量的生物，并不一定表明它含量的生物，并不一定表明它 们之间具有近的亲缘关系。们之间具有近的亲缘关系。GC%使用注意事项：使用注意事项：同一个种内同一个种内的不同菌株的不同菌株GC%含量差别应在含量差别应在45%以下以下；同属同属不同种的差别应不同种的差别应低于低于1015%；GC%含量已经作为建立新的微生物分类单元的一项含量已经作为建立新的微生物分类单元的一项基本特征，它对于种、属甚至科的分类鉴定有重要意义。基本特征，它对于种、属甚至科的分类鉴定有重要意义。若二个在形态及生理生化特性方面及其相似的若二个在形态及生理生化特性方面及其相似的菌株，如果其菌株，如果其GC%含量的差别大于含量的差别大于5%，则肯定，则肯定不是同一个种，大于不是同一个种，大于15%则肯定不是同一个属。则肯定不是同一个属。（2）核酸的分子杂交核酸的分子杂交 不同生物不同生物DNA碱基排列顺序的异同直接反映碱基排列顺序的异同直接反映生物间亲缘关系的远近，碱基排列顺序差异越小，生物间亲缘关系的远近，碱基排列顺序差异越小，它们之间的亲缘关系就越近，反之亦然。它们之间的亲缘关系就越近，反之亦然。（3）rRNA序列同源性分析序列同源性分析三种方法：三种方法：rRNA-DNA杂交、杂交、rRNA寡核苷酸编目分析寡核苷酸编目分析 rRNA基因序列分析（系统发育树状图）。基因序列分析（系统发育树状图）。分析不同微生物分析不同微生物16SrRNA或或18SrRNA寡核苷酸序列的寡核苷酸序列的同源性程度，以确定不同生物间的亲缘关系和进化谱同源性程度，以确定不同生物间的亲缘关系和进化谱系。系。T1RNA 酶水解酶水解（专一性（专一性水解水解G 上上3端磷酸酯键端磷酸酯键）提纯提纯rRNA（32P标记）标记）一系列寡核苷酸片段一系列寡核苷酸片段（长度不一以（长度不一以G为末端）为末端）双向电泳双向电泳分离，确定分离，确定rRNA寡核苷酸的寡核苷酸的指纹图谱指纹图谱寡核苷酸序列分析寡核苷酸序列分析（6个核苷酸以上）个核苷酸以上）编目，比较、计算和分析编目，比较、计算和分析确定菌株间的亲缘关系确定菌株间的亲缘关系rRNArRNA寡核苷酸编目分析实验方法：寡核苷酸编目分析实验方法：rRNArRNA寡核苷酸编目分析的基本原理：寡核苷酸编目分析的基本原理：用一种用一种RNA酶水解酶水解rRNA后，产生一系列寡核苷酸片段，如果两后，产生一系列寡核苷酸片段，如果两种或两株微生物的亲缘关系越近，则其所产生的寡核苷酸片段的种或两株微生物的亲缘关系越近，则其所产生的寡核苷酸片段的序列也接近，反之亦然。序列也接近，反之亦然。rRNA作为进化和系统分类指征的优点：作为进化和系统分类指征的优点：a）rRNA具有具有重要且恒定的生理功能重要且恒定的生理功能；b）在）在16SrRNA分子中，既含有分子中，既含有高度保守高度保守的序列区域，又有的序列区域，又有中度中度 保守保守和和高度变化高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的的序列区域，因而它适用于进化距离不同的 各类生物亲缘关系的研究；各类生物亲缘关系的研究；c）16SrRNA分子量分子量大小适中大小适中，便于序列分析；，便于序列分析；d）rRNA在细胞中在细胞中含量大含量大(约占细胞中约占细胞中RNA的的90%)，也，也易于提取易于提取；e）16SrRNA普遍存在于原核生物中普遍存在于原核生物中(真核生物中其同源分子是真核生物中其同源分子是18SrRNA)。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。一些生物大分子（如一些生物大分子（如16SrRNA或或18SrRNA），其分子序列），其分子序列的改变量与分子进化的时间成正比，因此，这些生物大分子的改变量与分子进化的时间成正比，因此，这些生物大分子被作为分子计时器，真实记录了各种生物的进化过程。可通被作为分子计时器，真实记录了各种生物的进化过程。可通过比较不同类群的生物大分子序列的改变量来确定它们彼此过比较不同类群的生物大分子序列的改变量来确定它们彼此系统发育的相关性或进化距离。系统发育的相关性或进化距离。分子计时器：分子计时器：（4）微生物全基因组序列测定微生物全基因组序列测定第一个古菌：詹氏甲烷杆菌第一个古菌：詹氏甲烷杆菌第一个细菌：流感嗜血杆菌第一个细菌：流感嗜血杆菌第一个真菌：酿酒酵母第一个真菌：酿酒酵母3.细胞化学成分用作鉴定的指标细胞化学成分用作鉴定的指标 细胞壁的化细胞壁的化学成分学成分全细胞水解全细胞水解液的糖型液的糖型磷酸类脂成磷酸类脂成分的分析分的分析枝菌酸的分枝菌酸的分析析醌类的分析醌类的分析脂肪酸组成脂肪酸组成和代谢产物和代谢产物分析分析好氧放线菌类的化学分类检索表好氧放线菌类的化学分类检索表 伯杰氏鉴定细菌学手册伯杰氏鉴定细菌学手册(Bergeys Manual of Determinative Bacteriology)第一版（第一版（1923年）年）第八版（第八版（1974年）年）第九版（第九版（1994年）年）美国宾夕法尼亚大学的美国宾夕法尼亚大学的细菌学教授细菌学教授伯杰伯杰(D.Bergey)主编。主编。1957年第七版后年第七版后，吸收了，吸收了国际上细菌分类学家国际上细菌分类学家参加编写，它的参加编写，它的近代版本反映了出版年代细菌分类学的最新成果，因而逐渐确近代版本反映了出版年代细菌分类学的最新成果，因而逐渐确立了在立了在国际上对细菌进行全面分类的权威地位国际上对细菌进行全面分类的权威地位。四四.分类系统分类系统1.原核生物分类系统原核生物分类系统19841989年年改为改为伯杰氏系统细菌学手册伯杰氏系统细菌学手册，简称，简称系统手册系统手册 (Bergeys Manual of Systematic Bacteriology)（第一版，分四卷）（第一版，分四卷）第二版，分五卷第二版，分五卷（根据系统发育资料根据系统发育资料，对分类单元进行了相当大的调整），对分类单元进行了相当大的调整）第一卷：古生菌、蓝细菌、光合细菌以及最早分支的细菌第一卷：古生菌、蓝细菌、光合细菌以及最早分支的细菌第二卷：变形杆菌（包括形态及生理学特征多样的革氏阴性菌）第二卷：变形杆菌（包括形态及生理学特征多样的革氏阴性菌）第三卷：低第三卷：低G+C含量的革氏阳性菌含量的革氏阳性菌第四卷：高第四卷：高G+C含量的革氏阳性菌含量的革氏阳性菌第五卷：浮霉状菌、螺旋体、丝杆菌、拟杆菌和衣原体等第五卷：浮霉状菌、螺旋体、丝杆菌、拟杆菌和衣原体等伯杰氏手册伯杰氏手册是目前进行是目前进行细菌分类、鉴定的最细菌分类、鉴定的最重要依据重要依据，其特点是描述非常详细，包括对细，其特点是描述非常详细，包括对细菌各个属种的特征及进行鉴定所需做的实验的菌各个属种的特征及进行鉴定所需做的实验的具体方法。具体方法。2.菌物分类系统菌物分类系统Ainsworth菌物系统（菌物系统（Ainsworths system of fungi）第七版第七版(1983年年)第八版第八版(1995年年)影响力较大影响力较大本章重点本章重点1.分类单元（七级）分类单元（七级）种是基本的分类单位种是基本的分类单位2.命名命名1）学名的国际命名法则）学名的国际命名法则双名法双名法2）常见微生物的学名）常见微生物的学名3.分类鉴定的方法和指标分类鉴定的方法和指标4.分类系统分类系统思考题思考题1.Woese将生物分成将生物分成“Bacteria、Archaea和和Eukarya”三域三域系统的主要实验根据是什么？系统的主要实验根据是什么？2.目前主要有哪些分子遗传学方法用于微生物分类？目前主要有哪些分子遗传学方法用于微生物分类？3.名词：分子计时器，模式菌株名词：分子计时器，模式菌株