1、第十三章第十三章 微生物物种的多样性微生物物种的多样性第二节 古生菌的多样性知识点回顾知识点回顾1.现代生物进化的测量指征分子尺，rRNA2.系统发育树和分子系统树3.三界（域）生物的系统树4.真细菌的12个独特类群本次课程讲授的知识点本次课程讲授的知识点1.古生菌的分类历程（分类地位）2.古生菌的系统发育总观（概述）3.古生菌的多样性（物种分类）（重点、难点）4.古生菌的培养5.古生菌的研究意义和应用发展前景引引言言?现在地球已经走过了46亿个春秋，地质学、古生物学和地球化学直接或间接证据都表明：大约在地球形成10亿年之后，我们这个星球开始出现生命。?现在估计有分类纪录的各类物种大约有150
2、万种。其中微生物超过了10万种，这也仅仅是保守估计，还没有发现的微生物还有成千上万种。?由于微生物的独特性质使其不像动植物一样可以宏观观察、鉴定，所以大量微生物仍然无名无姓的生活在各种环境中。随着时代的不同，地球上的物种也几经变化。但是其中有一类生物几乎没有发生任何改变，那就是古生菌，也即古细菌。一、古生菌的分类历程?自从发现古生菌那一天开始，古生菌定自从发现古生菌那一天开始，古生菌定位的争论就一直没有停止过。但是细菌位的争论就一直没有停止过。但是细菌这个名词出现的很晚，而古生菌这个称这个名词出现的很晚，而古生菌这个称呼就更晚了，它直到呼就更晚了，它直到1990年才被提出年才被提出来。来。?2
3、0世纪60年代末以前主要根据细胞核的结构把生物分为原核生物和真核两大类。由于古生菌没有真正的细胞核，所以科学家“理所当然”的把“古生菌”作为细菌的一类归属于原核生物。?近代有人提出诸如：三、四、五或者六界的生物分类近代有人提出诸如：三、四、五或者六界的生物分类系统，虽分类有些不同，但是分类的基本依据却是一系统，虽分类有些不同，但是分类的基本依据却是一样的，即以样的，即以生物整体及细胞形态学特征和某些生理特征作为推断生物亲缘关系的指征。按无细胞阶段。按无细胞阶段原原核阶段核阶段真核阶段真核阶段。?共设共设三总界下设五界：（一）非细胞总界（一）非细胞总界（Superkingdom Acytonia
4、）（二）原核总界（Superkingdom Procaryota）1细菌界细菌界（Kingdom Mycomonera）2蓝藻界（Kingdom Phycomocera）（三）真核总界（Superkingdom Eucaryota）3植物界（Kingdon Plantae）4真菌界（Kingdom Fungi）5动物界（Kingdom Animalia）?在这个广被人们认可的五界分类系统中，仍认为古在这个广被人们认可的五界分类系统中，仍认为古生菌是细菌的进化过程中一种形式，并未引起人们生菌是细菌的进化过程中一种形式，并未引起人们的注意，可能正因为这样，这类微生物才被命名为的注意，可能正因为这样
5、，这类微生物才被命名为古细菌,直至找到了新的特征作为生物进化的指征，直至找到了新的特征作为生物进化的指征，古生菌才算被验明正身，稳稳的坐上了生物进化的古生菌才算被验明正身，稳稳的坐上了生物进化的第三把交椅。人们发现分子序列进化的改变量（氨。人们发现分子序列进化的改变量（氨基酸或核苷酸替换的百分率）与分子进化的时间成基酸或核苷酸替换的百分率）与分子进化的时间成正比。为了遵循分子时钟的选取原则，最终人们找正比。为了遵循分子时钟的选取原则，最终人们找到了16SrRNA，人们称之为，人们称之为 分子尺分子尺。rRNA序列测定序列测定和分析方法分为两大类：寡核苷酸编目法和全序列和分析方法分为两大类：寡核
6、苷酸编目法和全序列分析法。?1977年Carl Woese&George Fox运用现代的鉴定方法发现产甲烷细菌完全没有作为细菌特征的那些序列,因此提出了生命的第三种形式古细菌（Archaeobacteria），在广泛鉴定上，提出了三界学说（不同于陈世骧的三总界学说）：古细菌、真细菌、真核生物。后来发展为代表当前人们认识水平的 八界系统（Cavalier-Smith，1988-1989）八界系统?Empire Bacteria（细菌总界）1Kingdom Eubacteria （真细菌界）2Kingdom Archaebacteria（古细菌界）?Empire Eukaryota（真核总界）3
7、Kingdom Archezoa（古菌界？）4Kingdom Protozoa（原生动物界）5Kingdom Plantae （植物界）6Kingdom Animalia（动物界）7Kingdom Fungi （真菌界）8Kingdom Chromista（藻界）?1990年Woese为了避免把古细菌始终看作细菌一类，把三界改为Bacteria（细菌）、Archaea（古生菌）和Eukarya（真核生物），并首次提出了一个涵盖整个生命界的系统树。全生命系统树（Olsen和Woese 1993）?真细菌和古生菌的区别:虽然古生菌在显微镜下有着和真细菌几乎相似的形态，同时也没有真正的细胞核，因此早
8、期人们把它作为细菌的一种。其形态与真细菌很相似，但这是两个绝不相同的生物类群。现以其细胞壁的组成的异同为例说明这一点。为何要把古生菌作为独立的分类单位？为何要把古生菌作为独立的分类单位？真细菌的细胞壁?（1）G细胞壁厚度大（20-80 nm），化学组分简单：90%肽聚糖、10%磷壁酸。其肽聚糖层为由N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺构成的二糖重复单元及肽尾肽桥构成的三维网状结构，其四肽尾由L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala构成；磷壁酸分为两种一种为与肽聚糖分子进行共价结合，含量随培养基发生变化的壁磷壁酸，一种为跨越肽聚糖层并与细胞膜共价交联的膜磷壁酸。构成主要为甘油磷壁酸和核糖醇磷壁
9、酸。真细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌?（2）G-中肽聚糖层在外膜层内，厚度仅有2-3nm，占细胞总重的10%。对机械强度抵抗力较G弱。单位结构和G基本相同，仅没有特殊肽桥，而且肽尾上第三个氨基酸由内消旋二氨基庚二酸代替。G-有重要的外壁层，由脂多糖、磷脂、脂蛋白等构成。脂多糖（细胞壁最外面，厚度8-10nm）由类脂A、核心多糖、O-特异侧链组成。肽聚糖外膜外膜蛋白周质空间真细菌的细胞壁功能真细菌的细胞壁功能?固定细胞外形和提高机械强度，从而使其免受渗透压等外力的损伤。?为细胞的生长、分裂、鞭毛运动所必需。?阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等物质
10、的损伤。?赋予细菌具有特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性。古生菌的细胞壁?古生菌中除了热原体属没有细胞壁外，其余都具有与真细菌类似功能的细胞壁，但是其化学成分相差极大。一些研究过的古生菌表明，其细胞壁中没有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白质构成的。?多糖多糖-假肽聚糖（以甲烷杆菌属为例）是由假肽聚糖（以甲烷杆菌属为例）是由N-乙乙酰葡糖胺和酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸以乙酰塔罗糖胺糖醛酸以-1,3糖苷键（不被溶菌酶溶解）交替连接形成，连在后一氨基糖上的肽尾由基糖上的肽尾由L-Glu、L-Ala和和L-Lys三个三个L型氨基酸组成，肽桥则由基酸组成，肽桥则由L
11、-Glu一个氨基酸组成。一个氨基酸组成。?糖蛋白（以盐杆菌属为例）包括葡萄糖、葡糖胺、糖蛋白（以盐杆菌属为例）包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白则由大量酸性氨基酸组成。这种带强负电荷的细胞壁可平酸性氨基酸组成。这种带强负电荷的细胞壁可平衡环境中高浓度的衡环境中高浓度的Na+，从而使其能很好的生活，从而使其能很好的生活在20%-25%高盐溶液中。?近20年来古生菌的细胞脂膜越来越受到学术界的重视。研究发现虽然它本质上也是由磷脂组成，但是它比真细菌或真核生物的细胞脂膜更明显的具有多样性。独特的细胞膜结构独特的细胞膜结构?亲水头（甘油）与疏水尾（烃链）间是通过亲水头（甘油）与疏水
12、尾（烃链）间是通过醚键醚键而不是通过而不是通过脂键脂键连接。连接。?组成疏水尾的长链烃是组成疏水尾的长链烃是异戊二烯异戊二烯的重复单位，它与亲水头通的重复单位，它与亲水头通过醚键连接成甘油二醚或二甘油四醚等。而在真细菌或真核生过醚键连接成甘油二醚或二甘油四醚等。而在真细菌或真核生物中的疏水尾为脂肪酸脂肪酸?古生菌的细胞脂膜中存在着独特的古生菌的细胞脂膜中存在着独特的单分子层膜或单双分子层单分子层膜或单双分子层混合膜混合膜，而真细菌或真核生物的细胞脂膜都是，而真细菌或真核生物的细胞脂膜都是双分子层双分子层。单分。单分子层膜存在于嗜高温的古生菌中，其原因可能是这种膜的机械子层膜存在于嗜高温的古生菌
13、中，其原因可能是这种膜的机械强度要比双分子层脂膜更高。?在甘油的在甘油的3C分子上，可连接多种与真细菌和真核生物细胞分子上，可连接多种与真细菌和真核生物细胞脂膜上不同的基团，如磷酸脂基、硫酸脂基以及多种糖基。脂膜上不同的基团，如磷酸脂基、硫酸脂基以及多种糖基。?细胞脂膜上含有多种独特脂类。细胞脂膜上含有多种独特脂类。?其实在细胞结构和代谢上，古生菌在许多方面还是接近其他原核生物，然而在基因转录过程上，它并不明显表现出细菌的特征，反而非常接近真核生物。比如古生菌的转译使用真核的启动和延伸因子，且转译过程需要真核生物中的TATA框结合蛋白和TFIIB。?因此将其作为独立的分类单位。二、古生菌系统发
14、育总观?直到直到20世纪世纪70年代后，由于细胞化学组分分析年代后，由于细胞化学组分分析和分子生物学方法的建立，特别是16SrRNA序列分析方法的不断完善，才对产甲烷细菌、嗜热细菌、嗜盐细菌等极端环境微生物的研究逐热细菌、嗜盐细菌等极端环境微生物的研究逐步深入，人们终于对古生菌的系统发育有了了解和认识。?并根据现代的生物鉴定方法 16SrRNA序列分析并结合其他生物学特征，古生菌为5个类群。三、古生菌的分类三、古生菌的分类?从rRNA进化树上，古生菌分为两类：广古菌门(Euryarchaeota)泉古菌门(Crenarchaeota)?另外未确定的两类分别是：初古菌门(Korarchaeota
15、)纳古菌门(Nanoarchaeum equitans）广古菌门广古菌门(Euryarchaeota)?包含了古菌中的大多数种类，包括了经常能在动物肠道中发现的产甲烷菌、在极高盐浓度下生活的盐杆菌、一些超嗜热的好氧和厌氧菌，也有海洋类群。在16S rRNA 系统发育树上，它们组成一个单系群。广古菌门的主要类群1、产甲烷古生菌2、极端嗜盐古生菌3、超嗜热古生菌4、无细胞壁古生菌5、还原硫酸盐古生菌1 1、产甲烷古生菌、产甲烷古生菌?产甲烷菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧的、能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群。?产甲烷细菌是都能产生甲烷的一大类群，因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝状等不同形态
16、。（1）嗜热自养甲烷杆菌Methanobacterium thermoautotrophicum?0.2-1.0 mm x 1.2-120 mm?Optimum temperature ranges from 35-70oC?Cells stain Gram negative（2）亨氏甲烷螺菌Methanospirillum hungatei?大部分的甲烷短杆菌生长于反刍动物、人类和其它动物的肠道中,或是腐朽的植物,以及缺氧的废水烂泥中。?M.smithii是唯一一种生长在人类肠道的甲烷短杆菌(图)。（3）甲烷短杆菌属 Methanobrevibacter spp.2 2、极端嗜盐古生菌、极端
17、嗜盐古生菌?这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度盐环境中的古菌。?AAUUAG序列是其标志，均为革兰氏阴性菌。采用二分裂法进行繁殖，无休眠状态，不产孢子，多数不运动，少数靠鞭毛运动。（1）盐沼盐杆菌 Halobacterium spp.?细胞杆状(0.51.2m 1.06.0m)。运动。有些菌株具有气泡囊。革兰氏阴性，好氧，化能异养型。?生活在盐湖、盐场及腐败的盐制品等中性盐环境中。Halobacterium sp.3 3、极端嗜热古生菌、极端嗜热古生菌?UAACACCAG和CACCACAAG序列是其寡核苷酸标志。?极端嗜热或超嗜热，生长要求的温度范围为45110，最适为70105，且要求p
18、H 为13 的高酸度环境。?有化能自养、化能异养和兼性营养三种不同的营养类型。大多能代谢元素硫，能在好氧条件下将硫或H2S氧化为H2SO4，在厌氧条件下可还原元素硫为H2S。?主要分布于含硫温泉、火山口、燃烧后的煤矿等环境。?硫化叶菌是第一个分离鉴定的极端嗜热古细菌(Brock等，1970)，生长在富硫的酸热泉中，温度达90以上，pH 11.5。硫化叶菌?AAAACUG和ACCCCA序列是遗传标志。这是一类无细胞壁的原核生物，像无细胞壁的支原体。由于其无细胞壁、嗜热、嗜酸、行好氧化能有机营养，所以被称为热源体（或热原体，众说不一）。?长度0.2m 到1-5m。?有的种具有多根鞭毛，能够运动。4
19、 4、无细胞壁古生菌、无细胞壁古生菌热原体属热原体属?热原体能抵御外界渗透压的变化、对抗外环境的低pH值和高热极端环境，是因为它们虽然没有坚韧的细胞壁，但发育出一种带有甘露糖和葡萄糖单位的四醚类脂(tetratherlipid)的脂多糖化合物，作为质膜的主要成分。同时，质膜中也含有糖肽，但没有固醇类化合物，这样的质膜使热原体表现出对渗透压、酸、热的稳定性。目前已知的热原体只有三个种：目前已知的热原体只有三个种：?嗜酸热原体(T.acidophilus)?氧化硫热原体(T.thiooxidans)?火山热原体(T.volcanium)5 5、还原硫酸盐古生菌、还原硫酸盐古生菌?这一类主要是指古生
20、球菌（Archaeoglobales）的古生菌。?细胞成不规则类球形、三角形等，直径在0.42.0 m，单个或成对，革兰氏阴性。菌落可略呈绿黑色，在420 nm 处可产蓝绿色荧光，严格厌氧。具有糖蛋白的细胞壁，以H2、乳酸、葡萄糖作为电子供体，将硫酸盐、亚硫酸盐或硫代硫酸盐还原成硫化物，元素硫不能接受电子，这种独特的还原硫酸盐的能力与其它的硫代谢的古生菌有所不同。栖息于海底热水流火山口。闪烁古生球菌A.fulgidus?分布于深海海底、热泉和地层深部储油层。化能自养，单极多生鞭毛，并产少量甲烷。?古生菌还广泛分布于各种自然环境中，土壤、海水、沼泽地中均生活着古生菌。很多产甲烷的古生菌存在于动物
21、的消化道中，如反刍动物、白蚁或者人类。古生菌通常对其它生物无害，且未知有致病古生菌。古生菌的分布古生菌的形态和大小?单个古生菌细胞直径在0.1到15微米之间，有一些种类形成细胞团簇或者纤维，长度可达200 微米。它们可有各种形状，如球形、杆形、螺旋形、叶状或方形。它们具有多种代谢类型。四、古生菌的培养?KochKoch等建立的在实验室人工条件下对微生物进行分离和纯培养技术，进行分离和纯培养技术，100多年来一直是我们研究、认识各种微生物的基本手段。我们研究、认识各种微生物的基本手段。?目前定种的仅有5000多种(有人认为还有超过过99%的尚未被认识到)在目前的条件下不能或很难在实验室进行人工培
22、养，不可能得到其纯培养物并对其进行形态、生理、遗传等其纯培养物并对其进行形态、生理、遗传等特性的研究。特性的研究。?尤其是对于古细菌更是如此。在实验室很难尤其是对于古细菌更是如此。在实验室很难或不能模仿其生存的极端环境，这就使得对或不能模仿其生存的极端环境，这就使得对于古生菌的研究长期停留在一个低水平的模于古生菌的研究长期停留在一个低水平的模糊认识阶段。?不过由于科学技术的进步，研究手段的进一步提高，现在人们已经有可能在不进行培养步提高，现在人们已经有可能在不进行培养的情况下研究微生物。五、古生菌的研究意义和应用发展前景?研究意义1、为微生物进化、生命起源的研究提供新的材料。?产甲烷古菌是一种
23、极其古老的微生物，能在无氧、无阳光的条件下生存，借助化学反应的能量或地热等进行新陈代谢，甲烷是其代谢产物。?2005年12月5日，加利福尼亚大学巴福特?普赖斯教授及其同事测量了长3000米冰芯中的甲烷浓度,该冰芯是在格陵兰岛钻探冰层时获得的。这项研究在研究地球气候的格林兰冰原计划2(GISP 2)范围内进行,在冰芯中测到的甲烷浓度超过冰层中允许甲烷浓度水平10倍,该冰层“年龄龄”超过超过10万年。科学家认为,如此高甲烷浓度是由于冰层中存在甲烷细菌Archaea古生菌造成的。?Archaea古生菌也在记录有高浓度甲烷的其他冰芯层中发现,冰层深度为冰覆盖层以下17.35米和100米。测量表明,80
24、%的Archaea古生菌迄今一直生存在冰层中并产生甲烷,造成冰芯一定冰层中甲烷浓度过高。从永冻冰层分离微生物从永冻冰层分离微生物?科学家称，这种能在极端严酷条件下生存的微生物有可能在火星上生存。?研究人员认为产甲烷古菌很可能存在于火星上，并且是火星大气中甲烷的来源。为了验证这一设想他们制造一台荧光探测仪，用来探测产甲烷古菌新陈代谢时产生的微弱荧光，这台仪器能探测出每毫升土壤或地层中存在的1个古菌，安装在新的火星车上寻找火星生命。?科学家在火星上放置了两台火星车（机遇号和勇气号），探寻火星上到底是否有生命存在。?机遇号从火星上找到了不少的的证据，（1）这些证据首先证明火星上曾经有液态水。只有水才
25、有可能存在细菌等微生物。（2）火星上存在甲烷气体。研究人员认为，甲烷古菌很可能存在于火星上，也是火星大气中甲烷的来源。?通过两辆火星车的探索，在火星上面发现了水及在火星的大气中发现甲烷，其中甲烷是生物所制造的。而甲烷古生菌可以生存在极端的环境，包含了地底深处、沙漠、海洋深处、火山或地热区、盐湖或盐海、地球以外的星球等。?甲烷菌只需CO2和H2就能生存，但只要一遇到氧气就会死亡。菌体经过甲烷化过程产生能量。?甲烷古菌还将成为人类在太空中找寻生命的理论依据和材料。结结 论论2、为微生物生理、遗传、分类乃至生命科学及相关学科许多领域，如功能基因组学、生物电子器材等的研究提供新的课题和材料。3、开发利
26、用新的微生物资源，包括特异性的基因资源。?应用、发展前景（1）在极端嗜盐古生菌中存在一种特殊的系统-菌视紫素和光介导ATP合成系统，当嗜盐菌处于厌氧条件下时会产生一种菌视紫素嵌入细胞脂膜中，成为紫膜。使菌体成为红紫色。其膜片约占全膜的50%，由25%的脂类和75%的蛋白质组成。可强烈吸收570nm处的绿色光谱区。具有光合作用和光能转换作用，如将光能转化为电能。同时紫膜的分子结构在光作用下可改变构像，可能会应用于将来的生物计算机的光开关或者存储器等中。（2 2）基因工程中常用载体为质粒，质粒要求有较基因工程中常用载体为质粒，质粒要求有较小的分子量、具有较高拷贝数等。在极端嗜盐古生菌的盐杆菌和盐球菌细胞内存在着多拷贝的大质粒，质粒DNA占细胞总DNA的25%-30%远远超过真细菌0.5%-3%0.5%-3%的含量。这可能会成为基因工程的一种良的含量。这可能会成为基因工程的一种良好材料。更重要的是，嗜盐、嗜热、嗜酸等古生菌中的抗高温、高盐、高碱、高酸等基因，为基因工程提供了极其丰富而独特的基因资源。本次课程讲授知识点小结本次课程讲授知识点小结?古生菌的分类历程（分类地位）?古生菌的系统发育总观（概述）?古生菌的多样性（物种分类）?古生菌的培养?古生菌的研究意义和应用、发展前景The endThank you
