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11微生物的分类及其分类方式
第三章微生物的分类及其分类方式
本章的核心内容是微生物的分类单元、微生物的命名法那么;目前国内外最权威的原核微生物分类系统;用于分离菌株分类鉴定的方式和技术;微生物菌种的保藏。
微生物的分类单元有界、门、纲、目、科、属、种;微生物的命名依林奈氏双名法法那么进行;《伯杰氏细菌学鉴定手册》,《伯杰氏系统细菌学手册》是现今进行细菌鉴定的最权威的手册;微生物分离菌株的分类鉴定有经典分类鉴定法、数值分类鉴定法、化学分类鉴定法、遗传学分类鉴定法,DNA中GCmol%分析、DNA-DNA杂交、DNA-rRNA杂交、16SrRNA(16SrDNA)寡核苷酸的序列分析,微生物系统发育地位分析等不同层次的技术方式。
微生物菌种的保藏关于研究和发酵生产都具有不可轻忽的意义。
保藏方式可依不同条件选择不同方式。
第一节微生物的分类单元和命名
分类是人类熟悉微生物,进而利用和改造微生物的一种手腕,微生物工作者只有在把握了分类学知识的基础上,才能对纷繁的微生物类群有一清楚的轮廊,了解其亲缘关系与演化关系,为人类开发利用微生物资源提供依据。
微生物分类学(microbialtaxonomy)是一门按微生物的亲缘关系把它们安排成层次清楚的各类分类单元或分类群(taxon)的科学,它的具体任务有三,即分类(classification)、命名(nomenclature)和鉴定(identification)。
分类指的是依照相似性或亲缘关系,将一个有机体放在一个单元中。
命名是依照国际命名法规给有机体一个科学名称。
鉴定那么是确信一个新的分离物是不是归属于已经命名的分类单元的进程。
因此,归纳来讲,微生物分类学是对各个微生物进行鉴定,按分类学准那么排列成份类系统,并对已确信的分类单元进行科学命名的科学。
一、微生物的分类单元
微生物的要紧分类单位,依次为界(kingdom)、门(phylum或division)、纲(class)、目(order)、科(fami1y)、属(genus)、种(species)。
其中种是最大体的分类单位。
具有完全或极多相同特点的有机体组成同种。
性质相似、彼此有关的各类组成属。
相近似的届归并为科。
近似的科归并为目。
近似的目归纳为纲。
综合各纲成为门。
由此组成一个完整的分类系统。
以下以柠檬浮霉状菌为例加以说明。
另外,每一个分类单位都有亚级,即在两个要紧分类单位之间,可添加“亚门”、“亚纲”、“亚目、”“亚科”等次要分类单位。
在种以下还能够分为亚种、变种、型、菌株等。
属是科与种之间的分类单元,通常包括具有某些一起特点和关系紧密的种。
Goodfellow和O'Donnell(1993)提出DNA的G+Cmol%不同≤10%~12%及16SrDNA的序列同源性≥95%的种可归为同一属。
种(species)关于微生物“种”的概念,各个分类学家的观点不一,例如伯杰氏(Bergey)给种的概念是:
“凡是与典型培育菌紧密相同的其他培育菌统一路来,区分成为细菌的一个种。
”因此,它是以某个“标准菌株”为代表的十分类似的菌株的整体。
种是以群体形式存在的。
种有着不同的概念,在微生物学中较常见有生物学种(biologicalspecies,BS),进化种(evolutionaryspecies,ES)和系统发育种(phylogeneticspecies,PS)等不同的物种概念。
1986年斯坦尔(Stanier)给种下了概念:
“一个种是由一群具有高度表型相似性的个体组成,并与其他具有相似特点的类群存在明显的不同。
”但那个概念仍无量化标准。
1987年,国际细菌分类委员会公布,DNA同源性≥70%,而且其⊿Tm≤5℃的菌群为一个种,而且其表型特点应与那个概念相一致。
1994年Embley和Stackebrandt以为当16SrDNA的序列同源性≥97%时能够为是一个种。
亚种(subspecies)在种内,有些菌株若是在遗传特性上关系紧密,而且在表型上存在较小的某些不同,一个种可分为两个或两个以上小的分类单位,称为亚种。
它们是细菌分类中具有正式分类地位的最低品级。
依照⊿Tm值在DNA杂交中的频率散布,有些证听说明,亚种的概念在系统发育上是有效的,而且能与亚种以下的变种概念相区别。
后者仅是依据所选择的“有效”属性而决定,并非被DNA组成所证明。
亚种以下的分类品级通常表示能用某些特殊的特点加以区别的菌株类群。
例如,在细菌分类中,以生物变型(biovar)表示特殊的生化或生理特点,血清变型(serovar结构的不同,致病变型(pathovar)表示某些寄主的专一致病性,噬菌变型(phagovar)表示对噬菌体的特异性反映,形态变型(morphovar)表示特殊的形态特点。
菌株或品系(strain)这是微生物学中常碰着的一个名词,它主若是指同种微生物不同来源的纯培育物。
从自然界分离纯化所取得的纯培育的后代,通过鉴定属于某个种,但由于来自不同的地域、土壤和其他生活环境,它们总会显现一些细微的不同。
这些单个分离物的纯培育的后代称为菌株。
菌株常以数量、字母、人名或地名表示。
那些取得分离纯化而未经鉴定的纯培育的后代那么称为分离物。
微生物学中还常经常使用到“群”那个词,这只是为了科研或鉴定工作方便,第一按其形态或结合少量的生理生化、生态学特点,快要似的种和介于种间的菌株归纳为假设干个类群。
如为了挑选抗生素工作的方便,中国科学院微生物研究所依照形态和培育特点,把放线菌中的链霉菌属归纳为12个类群。
微生物分类各级单元所用的后缀如表3-1。
表3-1微生物分类各级单元拉丁学名后缀
二、微生物的命名
微生物的命名和其他生物一样,都按国际命名法命名,即采纳林奈氏(Linnaeus)所创建的“双名法”。
每一种微生物的学名都依属与种而命名,由两个拉丁字或希腊字或拉丁化了的其他文字组成。
属名在前,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,或由闻名的科学家名字而来,用以描述微生物的要紧特点。
种名在后,用拉丁字形容词表示,字首字母小写,为微生物的色素、形状、来源、病名或闻名的科学家姓名等,用以描述微生物的次要特点。
另外,由于自然界的生物种类太多了,大伙儿都在命名,为了更明确,幸免误解,故在正式的拉丁名称后面附着命名者的姓。
例如。
金黄色葡萄球菌的学名为:
StaphylococcusaureusRosenbach1884
属名:
葡萄球菌种名:
金黄色命名人的姓命名年份
又如:
Peptostreptococcusfoetidus(Veillon)Smith
属名:
消化链球菌种名:
恶臭原命名者更名者
恶臭消化链球菌是由Veillon第一发觉和定名的,后Smith从头定为现名。
由此能够看出,种名后括弧内的姓,是表示那个种第一由Veillon定的名,在括弧后再附加改定此菌学名人的姓。
若是发表新种,那么在学名以后加n.sp(即novospecies的缩写,意为新种)。
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,只有属名时,可在属名后加sp.或spp.(species的缩写,sp.表示单数,spp.表示复数),如Micrococcussp.,表示微球菌属的一个种,Micrococcusspp.表示微球菌属的一些种。
变种的学名,是在种名后加变种名称,并在变种名称之前加var如枯草芽孢杆菌黑色变种应写成Bacillussubtilisvar.niger。
属以上的名称必需是阴性复数形容词,与prokaryotae相一致。
三、微生物系统发育分析
由于现代分子生物学技术的迅速进展,正在形成一套与传统的分类鉴定方式完全不同的分类鉴定技术与方式,从基因水平上分析各微生物种之间的亲缘关系,即系统发育地位。
众所周知,原核生物细胞中的16SrDNA和真核生物细胞中的18SrDNA的碱基序列都是十分保守的,不受微生物所处环境条件的转变、营养物质的丰缺的阻碍而有所转变,都能够看做为生物进化的时刻标尺,记录着生物进化的真实痕迹。
因此,分析原核生物细胞中的16SrDNA和真核生物细胞中的18SrDNA的碱基序列,比较所分析的微生物与其他微生物种之间16SrDNA和18SrDNA序列的同源性,能够真实地揭露它们亲缘关系的距离和系统发育地位。
在现实研究中,除选择16SrDNA和18SrDNA作序列分析进行系统发育比较外,还可利用距离序列(ITS)、某些发育较为古老而序列又较稳固的特异性酶的基因作序列分析,进行系统发育分析。
如在环境微生物研究中,关于谷胱甘肽转移酶(GST)的基因序列分析所取得的系统发育鉴定结果与用其他方式所取得的结果具有十分吻合的一致性。
随着研究技术和理论的日趋成熟,此刻有人提出了分子系统学(molecularsystematics)这一理论概念。
系统学(systematics)是研究生物多样性及其分类和演化关系的科学。
分子系统学是检测、描述并揭露生物在分子水平上的多样性及其演化规律的科学。
研究内容包括了群体遗传结构、分类学、系统发育和分子进化等领域。
群体遗传结构(populationgeneticstructure)是指一个种内总的遗传变异程度及其在群体间的散布模式,是一个种最基础的遗传信息。
分类学(taxonomy)是研究物种的界定和序级确信。
系统发育关系(phylogeneticrelationship)和分子进化(molecularevolution)是两个紧密相关的进程。
在利用现代分子生物学技术在分子和基因水平上取得大量的分类单元尤其是种的遗传信息后,来推断和重建微生物类群的演化历史和演化关系,即成立系统发育树,如第一章中图1-1表示细菌、古菌和真核生物的无根系统发育树。
依照分离菌株的16SrDNA或18SrDNA序列与相关微生物种之间的同源性,将分离取得的菌株放置于系统发育树的确当分支位置,以显示其在系统发育中的地位和与其他种间的亲缘关系。
原核微生物中的细菌和古菌的系统发育树别离如图3-1和3-2所示。
图3-1细菌域的系统发育树(引自Madiganetal.,BrockBiologyofMicroorganisms,Tenthedition,2003)
图3-2古菌域的系统发育树
第二节原核微生物分类系统
一、原核微生物伯杰氏分类系统
细菌、放线菌等原核微生物的分类系统很多,目前较有代表性和最有阻碍的分类系统是美国的《伯杰氏细菌学鉴定手册》(Bergey,sManualofDeterminativeBacteriology,以下简称“手册”)。
“手册”自1923年第一版以采,接踵于1925,1930,1934,1939,1948和1957年出版了第二版至第七版,几乎每一版均吸取了许多分类学家的体会,其内容通过不断地扩充和修改。
“手册”第七版包括从纲到种、亚种的全面分类大纲和相应的检索表和各分类单位的描述,将细菌列于植物界原生植物门的第二纲——裂殖菌纲。
“手册”第七版的分类方式大体上处于经典分类法时期,即以形态特点为主结合生理生化特性为分类依据。
第八版(1974年)没有从纲到种的分类系统,而着重于属、种的描述和比较,它也没有分类大纲,而是依照形态、营养型等分成19个部份,把细菌、放线菌、粘细菌、螺旋体、枝原体和立克次氏体等2000多种微生物归于原核生物界细菌门。
手册第八版的分类方式也有了改良,除采纳经典分类法外,还增加了细胞化学、遗传学和分子生物学等方面的新鉴定方式,对某些属、种应用了数值分类法。
1994年,《伯杰氏细菌学鉴定手册》第九版出版。
该手册依照表型特点把细菌分为四个类别,35群。
“手册''第九版与过去的版本相较较,具有以下特点:
①该书的目的只是为了辨别那些已被描述和培育的细菌,并非把系统分类和鉴定信息结合起来;②其内容的编排严格依照表型特点,所选择的排列是有效的,为了有利于细菌的鉴定,并非试图提供一个自然分类系统;③手册抽取了《伯杰氏系统细菌学手册》四卷的表型信息,并包括了尽可能多的新的分类单元,其有效发表的截止日期是1991年1月。
表3-2细菌的高级分类单位
在1984~1989年间,“手册”的出版者出版了《伯杰氏系统细菌学手册》(Bergey,sManualofSystematicBacteriology,简称“系统分类学手册”)。
该手册与《伯杰氏细菌学鉴定手册》有专门大不同,第一是在各级分类单元中普遍采纳细胞化学分析、数值分类方式和核酸技术,尤其是16SrRNA寡核苷酸序列分析技术,以说明细菌的亲缘关系,并对第八版手册的分类作了必要的调整。
例如,“系统细菌学手册”依照细胞化学、比较细胞学和16SrRNA寡核苷酸序列分析的研究结果,将原核生物界分为四个门。
由于那个手册的内容包括了较多的细菌系统分类资料,定名《伯杰氏系统细菌学手册》,反映了细菌分类从人为的分类体系向自然的分类体系所发生的转变。
为使发表的材料及时反映新进展,并考虑利用者的方便,该手册分四卷出版。
第一卷(1984年)内容为一样、医学或工业的革兰氏阴性细菌。
第二卷(1986年)为放线菌之外的革兰氏阳性细菌。
第三卷(1989年)为古细菌和其他的革兰氏阴性细菌。
第四卷(1989年)为放线菌。
2000年,Bergey,sManualofSystematicBacteriology第二版编辑完成并分成5卷陆续出版。
在此第二版中,细菌域分为16门,26组,27纲,62目,163科,814属,搜集了4727个种。
古菌域分为2门,5组,8纲,11目,17科,63属,搜集了208个种。
供搜集进原核微生物4935个种。
二、关于变形细菌(Proteobacteria)纲
运用DNA/RNA杂交、16SrRNA编目法和16SrRNA序列分析方式对革兰氏阴性细菌系统发育研究的结果相当一致。
在研究进程中,发觉“紫细菌和相关细菌”,尽管在表型和基因型方面很不一样即相当异源,但在系统发育树状图谱上具有持续现象,彼此之间的进化关系很为紧密。
1988年,Stackebrandt等将这种革兰氏阴性细菌命名为“变形细菌”(Proteobacteria),其下又分为a-亚纲、b-亚纲,g-亚纲、d-亚纲和e-亚纲,见图3-3。
a-亚纲包括一大群形态、生理和营养类型(光能自养型、化能无机营养型和化能有机营养型)等表型特点十分不同的细菌,如土壤杆菌(Agrobacterium)、根瘤菌(Rhizobium)、红假单胞菌(Rhodopseudomonas)、发酵单胞菌(Zymomonas)、副球菌等(Paracoccus)、立克次氏体(Rickettsia)等。
b-亚纲由Woese于1984年提出,包括的菌群有色杆菌属(Chromobacterium),水螺菌属(Aquaspirillum),紫色杆菌(Janthinobacterium),德克斯氏菌(Derxia),丛毛单胞菌(Comamonas),嗜木杆菌(Xylophilus)等。
g-亚纲由Weose1985年提出,包括了肠杆菌科(Enterobacteriaceae),气单胞菌科(Aeromonadaceae),弧菌科(Vibrionaceae),巴斯德菌科(Pasteurellaceae),假单胞菌(Pseudomonas),海洋螺菌(Oceanospirillum),黄单胞菌(Xanthomonas),溶杆菌(Lysobacter)等。
d-亚纲由分解代谢的硫酸盐还原细菌、元素硫还原细菌,蛭弧菌(Bdellovibrio)和黏细菌目(Myxococcales)的6个代表。
e-亚纲仅有弯曲杆菌(Campylobacter)和螺杆菌(Heliobacter)2属。
图3-3细菌中的变形菌纲类细菌
第三节微生物的分类鉴定方式
一、微生物鉴定的依据
取得纯化的微生物分离菌株后,第一判定是原核微生物仍是真核微生物,这事实上在分离进程中所利用的方式和选择性培育基已经决定了分离菌株的大类的归属,从平板菌落的特点和液体培育的性状都可加以判定。
然后,如是原核微生物,即可依照表14-3所示的经典分类鉴定指标进行鉴定,如条件许诺,可做碳源利用的BIOLOG-GN分析和16SrDNA序列分析。
多项结果结合起来确信分离菌株的属和种。
微生物经典分类鉴定方式的指标依据
经
典
分
类
法
个体:
细胞形态、大小、排列方式,染色反应,有无运动,各种特殊构造特征等
形态特征:
菌落形态,在固体、半固体或液体培养基中的生长状态等
营养要求:
碳源、氮源、矿质元素、生长因子等
生理生化特征:
代谢产物种类、产量、显色反应等
酶:
产酶种类和反应特征等
生态学特性:
生长温度,对氧的需要,酸碱度要求,宿主种类,生态分布等
血清学反应
噬菌体的敏感性
其他
二、微生物鉴定的技术与方式
依照目前微生物分类学中利用的技术和方式,可把它们分成四个不同的水平:
①细胞形态和行为水平,②细胞组分水平,③蛋白质水平,④基因组水平;
在微生物分类学进展的初期,要紧的分类鉴定指标是以在细胞形态和习性为主,可称为经典的分类鉴定法。
其他三种实验技术主若是60年代以后采纳的,称为化学分类和遗传学分类法,这些方式再加上数值分类鉴定法,可称为现代的分类鉴定方式。
(一)、经典分类鉴定法
经典分类法是一百连年来进行微生物分类的传统方式。
其特点是人为地选择几种形态生理生化特点进行分类,并在分类中将表型特点分为主、次。
一样在科以上分类单位以形态特点、科以下分类单位以形态结合生理生化特点加以区分。
最后,采纳双歧法整理实验结果,排列一个个的分类单元,形成双歧检索表(图3-4)。
A.能在60oC以上生长
B.细胞大,宽度~…………………………1.热微菌属(Thermomicrobium)
BB.细胞小,宽度~
C.能以葡萄糖为碳源生长
D.能在生长……………………………2.热酸菌属(Acidothermus)
DD.不能在生长……………………………3.栖热菌属(Thermus)
CC.不能以葡萄糖为唯一碳源4.栖热嗜油菌属(栖热嗜狮菌属Thermoleophilum)
AA.不能在60oC以上生长
图3-4双歧法检索表例样
应用BIOLOG-GN仪检测分离菌株对众多碳源的利用情形判定分离菌株的分类地位,最近几年来也时有应用。
在BIOLOG-GN仪上有96个小孔,其中95孔内分装有95种不同碳源的缓冲液,1孔为无碳源的缓冲液对照,各孔接入适宜菌浓度和液量的分离菌株培育物,定温培育,每日按时读取BIOLOG-GN仪运算机上各碳源利用情形,一样为时1周,BIOLOG-GN仪可显示出该鉴定菌株的最可能归属。
(二)、数值分类法
又称阿德逊氏分类法()。
它的特点是依照较多的特点进行分类,一样为50~60个,多者可达100个以上,在分类上,每一个特性的地位都是均等重要。
一般是以形态、生理生化特点,对环境的反映和忍受性和生态特性为依据。
最后,将所测菌株两两进行比较,并借用电子运算机计算出菌株间的总相似值,列出相似值矩阵(图3-5)。
为便于观看,应将矩阵从头安排,使相似度高的菌株列在一路,然后将矩阵图转换成树状谱(dendrogram)(图3-6),再结合主观上的判定(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—个个分类群。
图3-5显示6个细菌菌株的遗传相似矩阵图
图3-6依照相似矩阵图转换的相似关系树状谱
数值分类法的优越性在于它是以分析大量分类特点为基础,关于类群的划分比较客观和稳固;而且增进对细菌类群的全面考查和观看,为细菌的分类鉴定积存大量资料。
但在利用数值分类法对细菌菌株分群归类定种或定属时,还应做有关菌株的DNA碱基的G+Cmol%和DNA杂交,以进一步加以确证。
(三)、化学分类法
微生物分类中,依照微生物细胞的特点性化学组分对微生物进行分类的方式称化学分类法(chemotaxonomy)。
在近二十连年中,采纳化学和物理技术采研究细菌细胞的化学组成,已取得很有价值的分类和鉴定资料,各类化学组分在原核微生物分类中的意义见表3-4。
表3-4细菌的化学组分分析及其在分类水平上的应用
细胞成份
分析内容
在分类水平上的作用
细胞壁
肽聚糖结构
种和属
多糖
胞壁酸
膜
脂肪酸
种和属
极性类脂
霉菌酸
类异戊二烯苯醌
蛋白质
氨基酸序列分析
属和属以上单位
血清学比较
电泳图
酶谱
代谢产物
脂肪酸
种和属
全细胞成分分析
热解—气液色谱分析
种和亚种
热解—质谱分析
随着分子生物学的进展,细胞化学组分分析用于微生物分类日趋显示出重要性。
细胞壁的氨基酸种类和数量现己被同意为细菌属的水平的重要分类学标准。
在放线菌分类中,细胞壁成份和细胞特点性糖的分析作为分属的依据,已被普遍应用。
脂质是区别细菌仍是古菌的标准之一,细菌具有酰基脂(脂键),而古菌具有醚键脂,因此醚键脂的存在可用以区分古菌。
霉菌酸的分析测定己成为诺卡氏菌形放线菌分类鉴定中的常规方式之一。
鞘氨醇单胞菌和鞘氨醇杆菌等细胞膜都含有鞘氨醇,因此鞘氨醇的有无可作为此类细菌的一个重要标志。
另外某些细菌原生质膜中的异戊间二烯醌,细胞色素,和红外光谱等分析关于细菌、放线菌中某些科、属、种的鉴定也都十分有价值。
(四)、遗传学分类法
分子遗传学分类法是以微生物的遗传型(基因型)特点为依据,判定微生物问的亲缘关系,排列出一个个的分类群。
目前较常利用的方式有:
1、DNA中G+Cmol%分析
每一个微生物种的DNA中GCmol%的数值是恒定的,可不能随着环境条件、培育条件等的转变而转变,而且在同一个属不同种之间,DNA中GCmol%的数值可不能不同太大,能够某个数值为中心成簇散布,显示同属微生物种的GCmol%范围。
DNA中GCmol%分析要紧用于区分细菌的属和种,因为细菌DNA中GC含量的转变范围一样在25%~75%;而放线菌DNA中的GC比例范围超级窄(37%~51%)。
一样以为任何两种微生物在GC含量上的不同超过了10%,这两种微生物就确信不是同一个种。
因此可利用G+Cmol%来辨别各类微生物种属间的亲缘关系及其远近程度。
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