1、微生物学微生物学 郑州大学生物工程系郑州大学生物工程系 席席 宇宇Environmental Microbiology第一章第一章 微生物分类学微生物分类学主要内容及教学重点主要内容及教学重点第一节第一节 微生物的分类单位与命名微生物的分类单位与命名第二节第二节 微生物的分类依据微生物的分类依据 第三节第三节 微生物的分类方法和分类系统微生物的分类方法和分类系统 地球上的物种估计大约有地球上的物种估计大约有150万，其中微生万，其中微生物超过物超过10万种，而且其数目还在不断增加。万种，而且其数目还在不断增加。分类是认识客观事物的一种基本方法。我们分类是认识客观事物的一种基本方法。我们要认识、
2、研究和利用各种微生物资源也必须对要认识、研究和利用各种微生物资源也必须对它们进行分类。它们进行分类。生物分类的二种基本原则：生物分类的二种基本原则：a）根据表型根据表型(phenetic)特征的相似程度分群归类，这种特征的相似程度分群归类，这种 表型分类重在应用，不涉及生物进化或不以反映生表型分类重在应用，不涉及生物进化或不以反映生 物亲缘关系为目标。物亲缘关系为目标。b）按照生物系统发育相关性水平来分群归类，其目标按照生物系统发育相关性水平来分群归类，其目标 是探寻各种生物之间的进化关系，建立反映生物系是探寻各种生物之间的进化关系，建立反映生物系 统发育的分类系统。统发育的分类系统。从进化论
3、诞生以来，已经成生物学家普遍接受的分类原则从进化论诞生以来，已经成生物学家普遍接受的分类原则生物系统学生物系统学(systematics)microbial taxonomy Taxonomy or Systematics the science of biological classificationMicrobial taxonomy is going through a period of great change due to the use of new molecular techniques Nomenclature-assignment of names to taxonomi
4、c groups Identification-determination of the particular taxon to which a particular isolate belongsClassification-arrangement of organisms into groups(taxa)Consists of three separate but interrelated parts 微生物分类学微生物分类学（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元或分类群的科学。分类（分类（classification)：根据亲
5、缘关系和相似性，把一个生物有机体放在一个单元中。命名命名(nomenclature)：按照国际命名法则给生物有机体一个科学名字。鉴定（鉴定（identification；determination）：确定一个新的分离物是否归属与一个已经命名的分类单元的过程。Importance of microbial taxonomy Allows scientists to organize huge amounts of knowledge Allows scientists to make predictions and frame hypotheses about organismsPlaces o
6、rganisms in meaningful,useful groups with precise names,thus facilitating scientific communication Essential for accurate identification of microorganisms Three key objectivesDescription of the biological unitsBoundary of the biological unitsRelationships to other biological units按照微生物的亲缘关系分群归类，有规则地
7、排按照微生物的亲缘关系分群归类，有规则地排列成一个分类系统列成一个分类系统,根据分类系统，将根据分类系统，将微微生物生物的特性作人为归纳，找出一种或一套特征来制的特性作人为归纳，找出一种或一套特征来制订检索表，以便能迅速而简单地识别某种未知订检索表，以便能迅速而简单地识别某种未知微微生物。生物。一、微生物的分类单位一、微生物的分类单位(taxon)第一节第一节 微生物的分类单位与命名微生物的分类单位与命名The taxonomic ranks(in ascending order)are:species-genus-family-order-class phylum-kingdomThe ba
8、sic taxonomic group is the species具有完全或极多相同特点的有机体构成同具有完全或极多相同特点的有机体构成同种种；性质相似、相互有关的各种组成性质相似、相互有关的各种组成属属；相近似的属合并为相近似的属合并为科科；近似的科合并为近似的科合并为目目；近似目归纳为近似目归纳为纲纲；综合各纲成为综合各纲成为门门。种种:结核分枝杆菌结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)属属:分枝杆菌属分枝杆菌属(Mycobacterium)科科:分枝杆菌科分枝杆菌科(Mycobacteriaceae)目目:放线菌目放线菌目(Actinomycetales)
9、门门:细菌门细菌门(Bacteria)界界:原核生物界原核生物界(Procaryotae)二二.分类单位中的基本概念分类单位中的基本概念1.1.种种(species)伯杰氏：伯杰氏：“凡是与凡是与典型培养菌典型培养菌紧密相同的其他培养紧密相同的其他培养菌统一起来，区分成为细菌的一个种菌统一起来，区分成为细菌的一个种。克拉西里尼科夫克拉西里尼科夫：有共同根源的亲近有机体的总合，：有共同根源的亲近有机体的总合，它们在进化发育阶段上有一定的共同形态和生理上的它们在进化发育阶段上有一定的共同形态和生理上的特征。并且它们在不同程度上是被选择分化出来的，特征。并且它们在不同程度上是被选择分化出来的，能适应
10、一定的环境和外部生存条件。能适应一定的环境和外部生存条件。种是以某个种是以某个标准菌株标准菌株为代表的十分类似的为代表的十分类似的菌株的总称。菌株的总称。种是一个基本分类单位，是一大群表型特种是一个基本分类单位，是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近、与同属征高度相似、亲缘关系极其接近、与同属内其他种有明显差异的菌株的总称。一个内其他种有明显差异的菌株的总称。一个种只能用该种内的一个典型菌株作为具体种只能用该种内的一个典型菌株作为具体标本，它就是该种的模式种。标本，它就是该种的模式种。不管人们怎样理解不管人们怎样理解“种种”的概念，生物的的概念，生物的种都是客观存在的，并且都是相对稳定的。
11、在种都是客观存在的，并且都是相对稳定的。在一定条件下，一定条件下，物种保持相对稳定，是物种存在物种保持相对稳定，是物种存在的根据的根据，也使生物分类成为可能。另一方面，也使生物分类成为可能。另一方面，生物又是不断变化的，同一种微生物的不同个生物又是不断变化的，同一种微生物的不同个体，由于它们所处的环境不同，其本身或它的体，由于它们所处的环境不同，其本身或它的后代也会出现一些变异。后代也会出现一些变异。变异则是物种发展的变异则是物种发展的根据根据，同种生物个体之间的变异是演变成新种，同种生物个体之间的变异是演变成新种的前奏。的前奏。2.2.变种变种(variety;var)或亚种或亚种(subs
12、pecies)从自然界分离到的某一微生物的纯种，必须与从自然界分离到的某一微生物的纯种，必须与已知的典型种所记载的特征完全符合，才能鉴已知的典型种所记载的特征完全符合，才能鉴定为同一个种。定为同一个种。实际上，有时分离到的纯种却有某一特性与典实际上，有时分离到的纯种却有某一特性与典型种不同，其余特性完全符合，而这一特性又型种不同，其余特性完全符合，而这一特性又是稳定的，于是就将这种微生物称为典型种的是稳定的，于是就将这种微生物称为典型种的变种（亚种）变种（亚种）.3.3.型型(type,form)在自然界中，同一地区也可能有同一种在自然界中，同一地区也可能有同一种微生物的各种类型同时存在微生物
13、的各种类型同时存在,它们之间它们之间的差别往往又不象亚种那样显著的差别往往又不象亚种那样显著。结核分枝杆菌依其寄主的不同可分为人结核分枝杆菌依其寄主的不同可分为人型、牛型和禽型型、牛型和禽型;胸膜肺炎链球菌依其胸膜肺炎链球菌依其抗原性的不同分为几十个血清型；还可抗原性的不同分为几十个血清型；还可以根据形态或对噬菌体反应的差别分为以根据形态或对噬菌体反应的差别分为不同的形态型或溶菌型等。不同的形态型或溶菌型等。生物型（生物型（biovar;biotype）血清型（血清型（serovar;serotype）致病型（致病型（pathovar;pathotype）噬菌型（噬菌型（phagovar;ph
14、agotype）形态型（形态型（morphovar;morphotype）4.4.菌株或品系菌株或品系 (strain)自然界不存在两个绝对相同的个体。从自然自然界不存在两个绝对相同的个体。从自然界分离到的微生物纯培养，尽管它们同属一界分离到的微生物纯培养，尽管它们同属一个种，但由于来源不同，它们之间总会出现个种，但由于来源不同，它们之间总会出现一些细微的差异，这些同种不同来源的微生一些细微的差异，这些同种不同来源的微生物纯培养就是不同的菌株物纯培养就是不同的菌株 模式菌株模式菌株(type strain):当某一个菌株被鉴定为一个新种或者亚种时，该菌株就被指定为该种或者亚种的模式菌株。A s
15、train is a population of organisms that is distinguishable from at least some other populations in a taxonomic category;it is thought to have descended from a single organism or pure culture isolate.The type strain is usually the first studied(or most fully characterized)strain of a species.菌株与型的区别菌
16、株与型的区别：菌株之间不存在鉴别性特征的差异，命名不同菌株之间不存在鉴别性特征的差异，命名不同的菌株无需分类学依据，的菌株无需分类学依据，不同型的细菌之间存在鉴别性特征的差异，命不同型的细菌之间存在鉴别性特征的差异，命名或鉴定不同的型必需有分类学依据。名或鉴定不同的型必需有分类学依据。4.培养物（培养物（culture）与纯培养（与纯培养（pure culture）培养物培养物:指一定时间一定空间内微生物细胞群或生长物。纯培养纯培养：如果某一培养物是由单一微生物细胞繁殖产生的，就称之为该微生物的纯培养物。三三.微生物的命名微生物的命名 1.命名目的命名目的microbiologists oft
17、en use section names(a less formal grouping)that are descriptive(e.g.,methanogens,purple bacteria,lactic acid bacteria,etc.)同种微生物在不同的国家或地区常有不同的俗俗名名(vernacular name)。俗名在一定的国家或地区，使用很方便，但有局限性，不便于不同国家和地区之间的交流。为了便于交流和避免混乱，需要有一个统一的命名法则，以给每一种微生物都取一个为大家所公认的科学名称，即学名学名(scientific name)。2.命名规则命名规则微生物和其他生物一样，都按
18、国际命名微生物和其他生物一样，都按国际命名法规命名，即采用林奈法规命名，即采用林奈(Linnaeus)所创所创立的立的“双名法双名法”。每一种微生物的学名。每一种微生物的学名都依属与种而命名，由两个拉丁字或希都依属与种而命名，由两个拉丁字或希腊字或拉丁化了其他文字组成。腊字或拉丁化了其他文字组成。属名属名在前，规定用拉丁字名词表示，字首字在前，规定用拉丁字名词表示，字首字母要大写，由微生物的构造、形状，或由科母要大写，由微生物的构造、形状，或由科学家名字而来，用以描述微生物的主要特征学家名字而来，用以描述微生物的主要特征种名种名在后，常用拉丁字形容词表示，字首字在后，常用拉丁字形容词表示，字首
19、字母小写，为微生物的色素、来源、病名、或母小写，为微生物的色素、来源、病名、或科学家的姓名等，用以描述微生物的次要特科学家的姓名等，用以描述微生物的次要特征。征。金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌(Stapylococcus aureus)黑曲霉黑曲霉(Aspergillus niger)巴斯德酵母巴斯德酵母(Saccharomyces pastori)四联加夫基氏菌四联加夫基氏菌(Gaffkya tetragena)破伤风梭菌破伤风梭菌(Clostridium tetani)巴拿马沙门氏菌巴拿马沙门氏菌(Salmonella panama)3.微生物命名的几点补充微生物命名的几点补充由于自然中的微
20、生物种类太多，有时会发生同物异名同物异名或同名异物同名异物的现象，为了避免混乱和误解，常需要在种名之后附有定名人的姓。由于各分类学家的观点不同，有时对一个种列入哪个属也有不同的看法，往往发生种转属种转属的问题。种名后括弧内的姓，是表示这个种首先由种名后括弧内的姓，是表示这个种首先由Krainsky氏定的名，在括弧后再附加改定氏定的名，在括弧后再附加改定此菌学名人的姓。此菌学名人的姓。白孢放线菌白孢放线菌Actinomyces albos poreus Krainsky白孢链霉菌白孢链霉菌Streptomyces albos poreus(Krainsky)Waksmaset 有时只泛指某一属的
21、微生物，而不是指定有时只泛指某一属的微生物，而不是指定某一个具体的种，或没有种名，只有属名某一个具体的种，或没有种名，只有属名时，可在属名后加时，可在属名后加sp.或或spp.(Species的缩写的缩写sp.表示单数；表示单数；spp.表示复数表示复数)Micrococcus sp.一种一种微球菌微球菌Micrococcus spp.一些微球菌一些微球菌 Streptomyces sp.一种链霉菌一种链霉菌Streptomyces spp.一些链霉菌一些链霉菌表示亚种的学名，是在种名后加上亚种名表示亚种的学名，是在种名后加上亚种名称，并在亚种名称之前加称，并在亚种名称之前加subsp.。有时
22、为了避免混淆，还应该标注上命名人有时为了避免混淆，还应该标注上命名人的姓名、命名年份和菌株编号的姓名、命名年份和菌株编号枯草芽孢杆菌黑色亚种枯草芽孢杆菌黑色亚种Bacillus subtilis subsp.nigerStaphylococcus aureus Rosenbach 1884Bacillus subtilis BF7658Bacillus subtilis ASI.3984.4.新名称的发表新名称的发表根据细菌命名法规的规定，有效发表的细菌名称应该在公开发行的刊物公开发行的刊物上上进行，在菌种目录、会议记录、会议论文摘要均视为无效记录。发表新名称时应该在新名称之后加上所属的新分类
23、等级的缩写词。新目ord.nov.,新属gen.nov.,新种sp.nov.Pyrococcus furiosus sp.nov.若新名称是在国际系统细菌学杂志（IJSB）以外的其他杂志发表的，要取得国际的承认和学名优先权，还必须经过新名称的合法化发表，即将有效发表的英文附件送交IJSB审查，被认为合格后在该杂志上定期公布，命名日期从公布之日算起。微生物分类鉴定是在对大量单个微生物进行微生物分类鉴定是在对大量单个微生物进行观察、分析和描述的基础上，以它们的形态观察、分析和描述的基础上，以它们的形态结构、生理生化反应如遗传性等特征的异同结构、生理生化反应如遗传性等特征的异同为依据，并根据生物进化
24、的规律和应用的方为依据，并根据生物进化的规律和应用的方便，将微生物分门别类地排列成一个系统便，将微生物分门别类地排列成一个系统 第二节第二节 微生物分类的主要依据微生物分类的主要依据Major Characteristics Used in TaxonomyClassical CharacteristicsMorphological characteristics are easy to analyze,genetically stable and do not vary greatly with environmental changes;often are good indications
25、 of phylogenetic relatednessPhysiological and metabolic characteristics are directly related to enzymes and transport proteins(gene products)and therefore provide an indirect comparison of microbial genomesEcological characteristics include life-cycle patterns,symbiotic relationships,ability to caus
26、e disease habitat preferences and growth requirementsGenetic analysis includes the study of chromosomal gene exchange through transformation and conjugation;these processes only rarely cross genera;one must take care to avoid errors that result from plasmid-borne traitsMolecular CharacteristicsCompa
27、rison of proteins is useful because it reflects the genetic information of the organism;analysis is by:Determination of the amino acid sequence of the protein Comparison of electrophoretic mobility Determination of immunological cross-reactivity Comparison of enzymatic propertiesNucleic acid base co
28、mparison(G+C content)Can be determined by determination of the melting temperature(Tm)which is related to the temperature at which the two strands of a DNA molecule separate from one another as the temperature is slowly increasedTaxonomically useful because variation within a genus is usually less t
29、han 10%but variation between genera is quite variable ranging from 25%to 80%Nucleic acid hybridizationDetermines the degree of sequence homology The temperature of incubation controls the degree of sequence homology needed to form a stable hybridNucleic acid sequencingrRNA gene sequences are most id
30、eal for comparisons because they contain both evolutionarily stable and evolutionarily variable sequencesRecently,complete bacterial genomes have been sequenced;direct comparisons of complete genome sequences undoubtedly will become important in bacterial taxonomy16S ribosomal RNA寡核苷酸碱基序列分析18S ribos
31、omal RNA寡核苷酸碱基序列分析ITS(internal transcribed space)序列:内转录间内转录间隔区隔区1616S rRNA(S rRNA(细菌和古细菌细菌和古细菌)或或1818S rRNA(S rRNA(真菌真菌)的碱基序的碱基序列是十分稳定的，真正代表着微生物本身的系统发育列是十分稳定的，真正代表着微生物本身的系统发育地位地位。测定和比较所鉴定菌株的。测定和比较所鉴定菌株的1616SrRNASrRNA或或l8SrRNAl8SrRNA碱碱基序列可以搞清两比较菌株之间的系统发育关系。再基序列可以搞清两比较菌株之间的系统发育关系。再汇集构建系统发育树状图。汇集构建系统发育
32、树状图。ITS 位于位于18S和和5.8SrDNA(ITSl)之间以及之间以及58S和和28SrDNA之间之间(ITS2)Basic Local Alignment Search Tool16S rDNA序列序列内转录间隔区内转录间隔区ITS（internal transcribed spacer）一、常用的分类方法一、常用的分类方法 经典分类法经典分类法(classic taxonomy)它的特点是随机的和不系统的根据少数几种特它的特点是随机的和不系统的根据少数几种特征进行分类。常用的特征主要是形态特征和生征进行分类。常用的特征主要是形态特征和生理生化特性。理生化特性。第三节第三节 微生物分
33、类方法和分类系统微生物分类方法和分类系统科以上的分类以形态结构为主，科以下的以生科以上的分类以形态结构为主，科以下的以生理生化特性加形态为主理生化特性加形态为主数值分类法数值分类法(numerical taxonomy)它的特点是根据较多的特征进行分类，一般为50-60个，多者可达100个以上，在分类中，每一个特性的地位是完全等同的。通常是以生理生化特征，对环境的反应和忍受性以及生态特性为依据。最后，将所测菌株两两进行比较，并借用电子计算机计算出菌株间的总类似值。再结合主观上的判断(如划分类似程度大于85%者为同种；大于65%者为同属等)，排列出一个个分类群。化学分类法化学分类法(chemot
34、axonomy)根据微生物细胞的特征性化学组分进行分类。根据微生物细胞的特征性化学组分进行分类。可分析细胞壁中的肽聚糖及其结构、多糖、可分析细胞壁中的肽聚糖及其结构、多糖、胞壁酸等；胞壁酸等；分析细胞膜化学组成、脂肪酸等；分析细胞膜化学组成、脂肪酸等；分析蛋白质的氨基酸序列、血清学、电泳图分析蛋白质的氨基酸序列、血清学、电泳图谱等；谱等；分析微生物的代谢产物等。分析微生物的代谢产物等。遗传分类法遗传分类法(genetic taxonomy)自自6060年代以来，由于分子生物学被不断地应用于细年代以来，由于分子生物学被不断地应用于细菌分类学领域，使分类学者有可能在分子水平上研菌分类学领域，使分类
35、学者有可能在分子水平上研究种间关系，把以表型特征为主要依据的分类学引究种间关系，把以表型特征为主要依据的分类学引向深入。向深入。遗传分类法的特点，主要是从遗传学角度估价微生遗传分类法的特点，主要是从遗传学角度估价微生物间的亲缘关系。以物间的亲缘关系。以G+CG+C含量和不同来源含量和不同来源DNADNA之间碱之间碱基顺序的类似程度及同源性为依据，进行分类。基顺序的类似程度及同源性为依据，进行分类。1.1.苏联苏联克拉西里尼科夫克拉西里尼科夫著的著的 细菌和放线细菌和放线菌的鉴定菌的鉴定；3.3.美国美国伯杰伯杰(D.Bergey)等人主编的等人主编的伯杰氏伯杰氏鉴定细菌学手册鉴定细菌学手册(B
36、ergeys Manual of Determinative Bacteriology)；2.2.法国法国普雷活普雷活著的著的细菌分类学细菌分类学。二、细菌分类系统二、细菌分类系统The first edition of Bergeys Manual of Systematic Bacteriology is largely phenotypic and divides the bacteria into groups based on easily determined characteristics such as shape,Gram-staining properties,oxygen
37、 relationships,and motility.The second edition,with its five volumes and 30 sections,will be phylogenetically organized and distribute procaryotes among two domains and at least 14 kingdoms.分离菌株分离菌株 形态培养形态培养 分子鉴定分子鉴定生理生化生理生化 分析结果分析结果Bacterial taxonomy is rapidly changing due to the acquisition of new data,particularly the use of molecular techniques such as the comparison of ribosomal RNA structure and chromosome sequences.This is leading to new phylogenetic classification.Developing trends思考题思考题如何对科研或者生产中分离的一株如何对科研或者生产中分离的一株微生物进行分类、鉴定和命名？微生物进行分类、鉴定和命名？Thanks for your presence and advice！
