1、第十章第十章 微生物的分类和鉴定微生物的分类和鉴定2 什么是微生物分类学什么是微生物分类学(microbialtaxonomy):按照微生物的亲缘关系将按照微生物的亲缘关系将其安排成条理清楚的各种其安排成条理清楚的各种分类单元和分类群的科学分类单元和分类群的科学 微生物分类的目的微生物分类的目的把各种微生物按照它把各种微生物按照它们的亲缘关系分群归们的亲缘关系分群归类，排成系统，以便类，排成系统，以便于人们对微生物进行于人们对微生物进行鉴定和交流鉴定和交流3生物界的分类生物界的分类地球上的物种估计大约有地球上的物种估计大约有150150万，其中微生物万，其中微生物超过超过1010万种，而且其数
2、目还在不断增加。万种，而且其数目还在不断增加。在生物进化历史过程中演化形在生物进化历史过程中演化形成生物种类和种群的多样性。成生物种类和种群的多样性。生物分类就是通过研究生物的系统发育及其进化生物分类就是通过研究生物的系统发育及其进化历史，揭示各类生物的多样性及其系统关系，编历史，揭示各类生物的多样性及其系统关系，编制分类系统，还原生物的自然历史位置。制分类系统，还原生物的自然历史位置。微生物分类学的三个任务：分类、鉴定及命名微生物分类学的三个任务：分类、鉴定及命名分类分类是根据微生物的相似性和亲缘关系，将微生物归入不同的分类类群。是根据微生物的相似性和亲缘关系，将微生物归入不同的分类类群。鉴
3、定鉴定是确定一个新的分离物属于已经确认的分类单元的过程。是确定一个新的分离物属于已经确认的分类单元的过程。命名是根据国际命名法规给微生物分类单元以科学的名称。命名是根据国际命名法规给微生物分类单元以科学的名称。第一节第一节 通用分类单元通用分类单元 一、种以上的系统分类单元一、种以上的系统分类单元界、门、纲、目、科、属、种界、门、纲、目、科、属、种 种是最基本的分类单位种是最基本的分类单位 每一分类单位之后可有亚门、亚纲、亚目、每一分类单位之后可有亚门、亚纲、亚目、亚科亚科.6界界门门纲纲目目科科属属种种种（种（speciesspecies）：是一个基本分类单位；是一大群）：是一个基本分类单位
4、；是一大群表型表型特征高度特征高度相似、亲缘关系极其接近，与同属内其他种有明显差别的菌株相似、亲缘关系极其接近，与同属内其他种有明显差别的菌株的总称。的总称。菌株（菌株（strainstrain）:表示任何由表示任何由一个独立分离的单细胞繁殖而成的一个独立分离的单细胞繁殖而成的纯种群体及其一切后代（起源于共同祖先并保持祖先特性的一组纯种群体及其一切后代（起源于共同祖先并保持祖先特性的一组纯种后代菌群）。因此，一种微生物的不同来源的纯培养物均可纯种后代菌群）。因此，一种微生物的不同来源的纯培养物均可称为该菌种的一个菌株。菌株强调的是遗传型纯的谱系。称为该菌种的一个菌株。菌株强调的是遗传型纯的谱系
5、。例如：大肠埃希氏杆菌的两个菌株：例如：大肠埃希氏杆菌的两个菌株：Escherichia coliEscherichia coli B B 和和Escherichia coliEscherichia coli K12 K12菌株的表示法：菌株的表示法：种是分类学上的基本单位，菌株是实际上应用的基本单位，种是分类学上的基本单位，菌株是实际上应用的基本单位，因为同一菌因为同一菌种的不同菌株在产酶上种类或代谢物产量上会有很大的不同和差别！种的不同菌株在产酶上种类或代谢物产量上会有很大的不同和差别！新种（species nova，sp.nov或nov sp.）是指权威性的分类、鉴定手册中从未记载过的一
6、种新分离并鉴定过的微生物。当发现在按国际命名法规对它命名并在规定的学术刊物上发表时，应在其学名后附上“sp.nov”符号。在新种发表前，其模式菌株的培养物就应存放在一个永久性的可靠的菌种保藏机构中，并允许研究人员取得该菌种。中国希瓦氏菌Shewanel lacinica sp.nov.（许玫英等，微生物学报，2004，44(5):561-566）以啤酒酵母为例，它在分类学上的地位是：以啤酒酵母为例，它在分类学上的地位是：界界(Kindom(Kindom)：真菌界：真菌界 门门(Phyllum(Phyllum)：真菌门：真菌门 纲纲(Class)(Class)：子囊菌纲：子囊菌纲 目目(Orde
7、r)(Order)：内孢霉目：内孢霉目 科科(Family)(Family)：内孢霉科：内孢霉科 属属(Genus)(Genus)：酵母属：酵母属 种种(Species)(Species)：啤酒酵母：啤酒酵母学名学名是微生物的科学名称，它是按照有关微生物分类国际委员是微生物的科学名称，它是按照有关微生物分类国际委员会拟定的法则命名的。学名由拉丁词、或拉丁化的外来词组成。会拟定的法则命名的。学名由拉丁词、或拉丁化的外来词组成。学名的命名有双名法和三名法两种。学名的命名有双名法和三名法两种。双名法：双名法：学名学名=属名属名+种名加词种名加词+（首次定名人）（首次定名人）+现定名人现定名人+定名年
8、份定名年份属名属名：拉丁文的名词或用作名词的形容词，单数，首字母大写，：拉丁文的名词或用作名词的形容词，单数，首字母大写，表示微生物的主要特征，由微生物构造，形状或由科学家命名。表示微生物的主要特征，由微生物构造，形状或由科学家命名。种名种名：拉丁文形容词，字首小写，为微生物次要特征，：拉丁文形容词，字首小写，为微生物次要特征，如微生物色素、形状、来源或科学家姓名等。如微生物色素、形状、来源或科学家姓名等。二、微生物的命名二、微生物的命名必要，用斜必要，用斜体表示体表示可省略，用可省略，用正体字正体字微生物的名字有俗名和学名两种。如：微生物的名字有俗名和学名两种。如：红色面包霉红色面包霉粗糙脉
9、孢霉粗糙脉孢霉 绿脓杆菌绿脓杆菌铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌例：大肠埃希氏杆菌例：大肠埃希氏杆菌 Escherichia coli（Migula）Castellani et Chalmers 1919 金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus Rosenbach 1884当泛指某一属微生物，而不特指该属中某一种（或未当泛指某一属微生物，而不特指该属中某一种（或未定种名）时，可在属名后加定种名）时，可在属名后加sp.sp.或或ssp.ssp.（分别代表（分别代表speciesspecies 缩写的单数和复数形式）缩写的单数和复数形式）例如：例如：Saccharomyc
10、esSaccharomyces sp.sp.表示酵母菌属中的一个种。表示酵母菌属中的一个种。华癸根瘤菌 Rhizobium huakuii Rhizobium huakuii，Chen 1991 菌株名称菌株名称在种名后面自行加上数字、地名或符号等，如：在种名后面自行加上数字、地名或符号等，如：Bacillus subtilisBacillus subtilis AS1.389 AS=Academia Sinica AS1.389 AS=Academia Sinica Bacillus subtilisBacillus subtilis BF7658 BF7658 Clostridium ac
11、etobutylicumClostridium acetobutylicum ATCC824 ATCC824 丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌ATCCATCCAmerican Type Culture CollectionAmerican Type Culture Collection美国模式菌种保藏中心美国模式菌种保藏中心 当文章中前面已出现过某学名时，后面的可将其属名缩写成当文章中前面已出现过某学名时，后面的可将其属名缩写成1313个字母。个字母。如：如：Escherichia coli Escherichia coli 可缩写成可缩写成 E.coliE.coli Staphylococcus S
12、taphylococcus aureusaureus可缩写成可缩写成 S.S.aureusaureus三名法：三名法：用于对亚种的命名，这时在属和种名后加写一个用于对亚种的命名，这时在属和种名后加写一个subsp.subsp.，然后再附上亚种名称（斜排体）。，然后再附上亚种名称（斜排体）。如：如：Bacillus thuringiensisBacillus thuringiensis subsp.subsp.galleriagalleria 苏云金芽孢杆菌腊螟亚种苏云金芽孢杆菌腊螟亚种 第二节第二节 微生物在生物界的地位微生物在生物界的地位 在人类发现微生物并对它们进行较深入的研究之前，只能把
13、一切生物简单地分成似乎截然不同的两大界动物界和植物界；从19世纪中期起，随着人们对微生物认识的逐步深化，生物的分界就历经三界、四界、五界甚至六界等过程，最后又提出了一个崭新的“三域”学说。从两界系统经历过三界系统、四从两界系统经历过三界系统、四界系统、五界系统甚至六界系统，界系统、五界系统甚至六界系统，最后又有了三原界（或三总界）最后又有了三原界（或三总界）系统。系统。传统的、为多数学者所接受的是传统的、为多数学者所接受的是19691969年魏塔克（年魏塔克（R.H.WhittakerR.H.Whittaker）在在ScienceScience上提出的五界学说，上提出的五界学说，它以纵向显示从
14、原核生物到真核它以纵向显示从原核生物到真核单细胞生物再到真核多细胞生物单细胞生物再到真核多细胞生物的三大进化过程。的三大进化过程。生物的界级分类学说生物的界级分类学说15 三域学说:细菌域、古生菌域、真核生物域。主要特点比较见表10-3。1 1 Bergey氏原核生物分类系统纲要 伯杰氏系统细菌学手册伯杰氏系统细菌学手册(Bergeys Manual of Systematic Bacteriology)伯杰氏手册伯杰氏手册是目前进行细菌分类、鉴定的最重要依据，其特是目前进行细菌分类、鉴定的最重要依据，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点是描述非常详细，包括对细菌各个属种
15、的特征及进行鉴定所需做的实验的具体方法。所需做的实验的具体方法。20012001年分年分5 5卷陆续发行。卷陆续发行。（19941994第第9 9版）版）2 2 真菌分类系统真菌分类系统真菌界分类系统很多，各国采用不同的系统，比较真菌界分类系统很多，各国采用不同的系统，比较混乱。近年来为较多人接受的是混乱。近年来为较多人接受的是AinsworthAinsworth的纲要的纲要（P343P343）。）。第三节第三节 各大类微生物的分类系统纲要各大类微生物的分类系统纲要第四节第四节 微生物分类鉴定的方法微生物分类鉴定的方法 5个水平：个水平：细胞的形态与习性水平。细胞的形态与习性水平。细胞组分化学
16、水平。细胞组分化学水平。蛋白水平。蛋白水平。核酸水平。核酸水平。数学统计学或计算生物学水平。数学统计学或计算生物学水平。一、微生物分类鉴定中的经典方法一、微生物分类鉴定中的经典方法生物分类的传统指标：形态学特征、生理、生化特征、生态学特征、生活史、血清学反应、对噬菌体的敏感性，其它。它们从不同层次(细胞的、分子的)，用不同学科(化学、物理学、遗传学、免疫学、分子生物学等)的技术方法来研究和比较不同微生物的细胞、细胞组分或代谢产物，从中发现的反映微生物类群特征的资料。在现代微生物分类中，任何能稳定地反映微生物种类特征的资料，都有分类学意义，都可以作为分类鉴定的依据。形态学特征形态学特征、生理学特
17、征、生理学特征、生态学特征生态学特征 生物分类的传统指标：生物分类的传统指标：1、形态学特征形态学特征培养特征、培养特征、运动性、运动性、特殊的细胞结构、特殊的细胞结构、细胞形态及其染色特性、细胞形态及其染色特性、等等等等微生物分类和鉴定的重要依据之一：微生物分类和鉴定的重要依据之一：a a）易于观察和比较，尤其是真核微生物和具有特殊）易于观察和比较，尤其是真核微生物和具有特殊 形态结构的细菌；形态结构的细菌；b b）许多形态学特征依赖于多基因的表达，具有相对）许多形态学特征依赖于多基因的表达，具有相对 的稳定性；的稳定性；2、生理生化特征与微生物的酶和调节蛋白质的本质和活性直接相关；代谢产物
18、等代谢产物等营养类型；营养类型；与氧的关系；与氧的关系；对温度的适应性；对温度的适应性；对对pHpH的适应性；的适应性；对渗透压的适应性；对渗透压的适应性；酶及蛋白质都是基因产物；对微生物生理生化特征的比较也是对微生物基因组的间接比较；测定生理生化特征比直接分析基因组要容易得多；常借助特异性的血清学反应来确定未知菌种、亚种常借助特异性的血清学反应来确定未知菌种、亚种或菌株。或菌株。生态特性生态特性包括在自然界的分布情况，与其他生物有否寄生或共生关包括在自然界的分布情况，与其他生物有否寄生或共生关系系,宿主种类及与宿主关系宿主种类及与宿主关系,有性生殖情况有性生殖情况,生活史等。生活史等。生活史
19、生活史对噬菌体敏感性对噬菌体敏感性血清学反应血清学反应3、微生物的快速鉴定和自动化分析微生物的快速鉴定和自动化分析 技术技术微量多项试验鉴定系统（简易诊检技术，数码分类微量多项试验鉴定系统（简易诊检技术，数码分类鉴定法）：鉴定法）：针对微生物的生理生化特征，配制各种培养基、反应底物、试剂等，分别微量(约0.1ml)加入各个分隔室中(或用小圆纸片吸收)，冷冻干燥脱水或不干燥脱水，各分隔室在同一塑料条或板上构成检测卡。试验时加入待检测的某一种菌液，培养2-48小时，观察鉴定卡上各项反应，按判定表判定试验结果，用此结果编码，查检索表(根据数码分类鉴定的原理编制成)，得到鉴定结果，或将编码输入计算机，
20、用根据数码分类鉴定原理编制的软件鉴定，打印出结果。API细菌数值鉴定系统Enterotube系统Biolog全自动和手动细菌鉴定系统24微生物鉴定系统及其反应原理系统反应分析阳性结果显示系统例子pH基础反应（多为1524hr）碳源利用pH指示剂颜色变化；碳源产酸、氮源产碱API;Crystal;VITEK;Micro Scan酶谱（多为24hr）微生物已有的酶无色复合物被适当酶水解时，色源/荧光源释放引起颜色变化Micro Scan;IDS(Remel)碳源利用有机产物因转移电子至无色四氮唑标记碳源使染料变为紫色Biolog挥发或非挥发酸检测细胞脂肪酸以检测代谢产物为基础的层析技术，与数据库中
21、的资料相比较MIDI生长可见检测不同底物微生物利用某一底物产生浊度酵母样菌鉴定核酸的碱基组成和分子杂交核酸的碱基组成和分子杂交特点：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DNADNA的碱基的碱基组成的比较和进行核酸分子杂交是直接比较不同微组成的比较和进行核酸分子杂交是直接比较不同微生物之间基因组的差异，因此结果更加可信。生物之间基因组的差异，因此结果更加可信。（1 1）DNADNA的碱基组成的碱基组成(G+Cmol(G+Cmol%)%)DNADNA碱基因组成是各种生物一个稳定的特征，即使个别基因突碱基因组成是各种生物一个稳定的特征，即使个别基因突变，碱基组成
22、也不会发生明显变化。变，碱基组成也不会发生明显变化。分类学上，用分类学上，用G+CG+C占全部碱基的克分子百分数占全部碱基的克分子百分数(G+Cmol(G+Cmol%)%)来来表示各类生物的表示各类生物的DNADNA碱基因组成特征。碱基因组成特征。二、微生物分类鉴定中的现代方法二、微生物分类鉴定中的现代方法每个生物种都有特定的每个生物种都有特定的GC%GC%范围，因此后者可以作为分类鉴范围，因此后者可以作为分类鉴定的指标。细菌的定的指标。细菌的GC%GC%范围为范围为25-75%25-75%，变化范围最大，因此，变化范围最大，因此更适合于细菌的分类鉴定。更适合于细菌的分类鉴定。GC%GC%测定
23、主要用于对表型特征难区分的细菌作出鉴定，并可检测定主要用于对表型特征难区分的细菌作出鉴定，并可检验表型特征分类的合理性，从分子水平上判断物种的亲缘关系。验表型特征分类的合理性，从分子水平上判断物种的亲缘关系。使用原则：G+CG+C含量的比较主要用于分类鉴定中的含量的比较主要用于分类鉴定中的否定否定每一种生物都有一定的碱基组成，亲缘关系近的生物，每一种生物都有一定的碱基组成，亲缘关系近的生物，它们应该具有相似的它们应该具有相似的G+CG+C含量，若不同生物之间含量，若不同生物之间G+CG+C含含量差别大表明它们关系远。量差别大表明它们关系远。但具有相似但具有相似G+CG+C含量的生物并不一定表明
24、它们之间具有含量的生物并不一定表明它们之间具有近的亲缘关系。近的亲缘关系。同一个种内同一个种内的不同菌株的不同菌株G+CG+C含量差别应在含量差别应在4 45%5%以下以下；同属同属不同不同种的差别应低于种的差别应低于101015%15%；G+CG+C含量已经作为建立新的微生物分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。要意义。若二个在形态及生理生化特性方面及其相似的菌株，如果若二个在形态及生理生化特性方面及其相似的菌株，如果其其G+CG+C含量的含量的差别大于差别大于5%5%，则肯定不是同一
25、个种，则肯定不是同一个种，大于大于15%15%则肯定不是同一个属。则肯定不是同一个属。在疑难菌株鉴定、新种命名、建立一个新的分类单位时，在疑难菌株鉴定、新种命名、建立一个新的分类单位时，G+CG+C含量是一项重要的，必不可少的鉴定指标。含量是一项重要的，必不可少的鉴定指标。其分类学意义主要是作为建立新分类单元的一项基本特其分类学意义主要是作为建立新分类单元的一项基本特征和把那些征和把那些G+CG+C含量差别大的种类排除出某一分类单元。含量差别大的种类排除出某一分类单元。G+CG+C含量的比较主要用于分类鉴定中的否定含量的比较主要用于分类鉴定中的否定(2)(2)核酸的分子杂交核酸的分子杂交不同生
26、物不同生物DNADNA碱基排列顺序的异同直接反映生物之间亲缘关系的碱基排列顺序的异同直接反映生物之间亲缘关系的远近，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。之亦然。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)(hybridization)间接比较不同微生物间接比较不同微生物DNADNA碱碱基排列顺序的相似性基排列顺序的相似性a a）DNA-DNADNA-DNA杂交；杂交；（亲缘关系相对近的微生物之间的亲缘关系比较）（亲缘关系相对近的微生物之间的亲缘关系比较）b b）DNA-rRNADNA-rRNA杂交；杂交；（
27、亲缘关系相对远的微生物之间的亲缘关系比较）（亲缘关系相对远的微生物之间的亲缘关系比较）c c）核酸探针；）核酸探针；（利用特异性的探针，用于细菌等的快速鉴定）（利用特异性的探针，用于细菌等的快速鉴定）302.核酸分子杂交法核酸分子杂交法遗传分类法遗传分类法314.rRNA寡核苷酸编目分析寡核苷酸编目分析遗传分类法遗传分类法一种通过分析原核或真核细胞中最稳定的一种通过分析原核或真核细胞中最稳定的rRNA寡核苷酸序列同源行程度寡核苷酸序列同源行程度,乙确定不同生物间的乙确定不同生物间的亲缘关系和进化谱系的方法亲缘关系和进化谱系的方法RNARNA作为进化的指征作为进化的指征16S rRNA16S r
28、RNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子尺分子尺”：1 1）rRNArRNA具有重要且恒定的生理功能；具有重要且恒定的生理功能；2 2）在）在16SrRNA16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的各保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的各类生物亲缘关系的研究；类生物亲缘关系的研究；3 3）16SrRNA16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；分子量大小适中，便于序列分析；4 4）rRNArRNA在细胞中含量大在细胞中含量大(约占细胞
29、中约占细胞中RNARNA的的90%)90%)，也易于提取；，也易于提取；5 5）16SrRNA16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其同真核生物中其同源分子是源分子是18SrRNA)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。(3)16SrRNA(3)16SrRNA或或18SrRNA18SrRNA的核酸序列分析的核酸序列分析3334细胞化学成份用作鉴定指标 细胞壁的化学成份 全细胞水解液的糖型 磷酸类脂成份 醌类 气相色谱分析代谢产物如脂肪酸等353电子计算机在微生物学中的应用电子计算机在微生物学中的应用 计算机应用于微生物分类始于数值分类法计算机应用于微生物分类始于数值分类法(numerical taxonomy)。所谓数值分类法，是通过广泛比较分类单位的。所谓数值分类法，是通过广泛比较分类单位的性状特征，然后计算它们之间的相似性，再根据相似性的数性状特征，然后计算它们之间的相似性，再根据相似性的数值划分类群的一种分类方法。值划分类群的一种分类方法。计算机在分类中的应用，除进行数值分类外，在生物分类的其他方面也发挥了巨大的作用，如rRNA、DNA或蛋白质等序列资料的贮存、分析；制作各类生物分类资料的软件供个人或实验室随时检索使用等等。生物信息学
