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9. MICROBIAL EVOLUTION AND SYSTEMATICS

9.1 Evolutionary Chronometers9.1.1 Ribosomal RNA Sequences

9.1.2 The Universal Tree of Life

9.2 Microbial Taxonomy9.2.1 Principles of Taxonomy

9.2.2 Classical Taxonomy

9.2.3 Molecular Taxonomy

9.2.4 Nomenclature and Bergey’sManual

9.1 Evolutionary Chronometers 进化计时器

进化时钟（evolutionary Chronometers，evolutionary clock)1. 该大分子广泛分布在用于研究的类群；

2. 该大分子在每种生物中功能相同；

3. 该大分子可以进行正确的排位，以鉴定同源序列区和

非同源序列区；

4. 该大分子序列变化率应当与测得的进化距离相一致。

发生过多序列变化的分子不能用于进化关系的测定工

作，这样会导致共同序列区的最终消失。

9.1.1 Ribosomal RNA Sequences9.1 Evolutionary Chronometers

1. 核糖体RNA序列与进化

小核糖体亚单位RNA (16S rRNA, 18S rRNA)

(1) 具有重要且恒定的生理功能；

(2) 普遍存在于真核生物和原核生物中，而且在系统发育上具有适当的

保守性；

(3) 分子量大小适中，在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%) (4) 高度保守、中度保守和高度变化的序列区域，适用于进化距离不同的

各类生物亲缘关系的研究.

Fig 11.8


小核糖体亚单位RNA

9.1 Evolutionary Chronometers

9.1.1 Ribosomal RNA Sequences


Fig 11.9

2. 核糖体RNA分析方法


Phylogenetic Trees from RNA Sequences

0.01

Uncultured Rhodobacteraceae bacterium clone DS105(DQ234188)

Rhodobacter capsulatus strain C5(D16427)

S3Rhodobacter sp. PS9(AF515782)

Rhodobacter azotoformans strain SA16(D70847)

Rhodobacter azotoformans strain KA25(D70846)

Rhodobacter sphaeroides KCTC 12085(AF468821)

Rhodobacter sphaeroides strain IL106(D16424)

Rhodobacter sphaeroides strain SA38(AB196354)

Rhodobacter sphaeroides strain LW-BR(AB196355)

Rhodobacter sphaeroides strain IFO12203(D16425)

Rhodobacter gluconicum(AB077986)

Uncultured bacterium clone EV818SWSAP92(DQ337100)

Uncultured bacterium clone EV818CFSSAHH73(DQ337005)

Uncultured bacterium clone HP1A30(AF502214)Uncultured bacterium clone HP1B71(AF502215)

Uncultured bacterium clone LPB54(AF527586)

77.9 95.3

99.899.4

91.171.2

90.2

100

91

99.7


3.印迹序列（signature sequence）

系统探针（phylogenetic probes）


9.1.1 Ribosomal RNA Sequences4. Phylogenetic probes and FISH

FISH (fluorescent in-situ hybridization)


FISH

9.1.2 The Universal Tree of Life9.1 Evolutionary Chronometers

1.系统进化树 p335

Fig 11.13


2.三域生物的特征 p338

虽然三域的界定是基于比较rRNA序列，但随后的研究表明每

个域的生物都有其独特的特征。

（1）Cell Walls:

细菌细胞壁的特征分子

真核生物细胞壁主要成分

古细菌细胞壁





（2）Lipids:

Fig11.15





（3）RNA polymerase:

Fig11.16





（4）Features of Protein Synthesis: 由于三域中各物种的rRNA序列及几种蛋白质合成因子存在差

异，所以各物种的蛋白质合成机制的某些方面也有所不同。

古生菌蛋白质合成过程的几个步骤与真核生物的相应步骤更相似：

•翻译的起始密码子

•延伸因子

•蛋白质合成抑制剂的作用

•杂合核糖体体外合成蛋白质

蛋白质合成抑制剂的作用 p339 Table 11.2

古生菌细菌真核生物

甲烷杆菌属硫化叶菌属大肠杆菌酿酒酵母

梭链孢酸，稀疏霉素

抑制延伸步骤

+ − + +茴香霉素，水仙霉素

抑制肽酰转移

+ − − +亚胺环己酮阻断起始 − − − +红霉素，链霉素，氯霉

素

增加错误率及其他效应

− − + −

维及尼霉素，

粉霉素

抑制延伸步骤

+ − + −

新霉素，嘌呤霉素

导致预成熟终止

+ + + +利福霉素抑制RNA聚

合酶− − + −

抗生素作用方式





（5） Other Features Defining the Domains:

18S rRNA 中修饰的核苷酸数量

tRNA中修饰的二氢尿嘧啶碱基


2.三域生物的特征

p340

Carl Woese的rRNA

进化树完美无缺？

水平基因转移现象(lateral, horizontal gene transfer)


分类学三个组成部分

微生物分类学(microbial taxonomy):分类学(taxonomy)：

分类(classification)：

鉴定(identification或determination)：

命名(nomenclature)：


生物分类的两类基本方法

等级分类方法（Hierarchies ）：

数值分类方法（Numerical Taxonomy ）：


1. 等级分类（Hierarchies ）：

生物界系统的分类为等级分类，界是最高的分类等级，属于这

个分类等级的每种生物的基本特征必须满足该分类等级的限

定。当一个分类等级建立后，必须限定相关的重要特征。如原

核生物界，所有的生物必须是原核细胞

生物分类采用七阶分类等级，由大到小依次为:界(Kingdom)、门(Phylum，Division)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)、种(Species)。



界

门

纲

目

科

属

种



• 除此之外, 在M的分类中, 还常使用一些非正式的类群术语:

• 种以上常使用群、组、系等类群名称；

• 亚种以下常用培养物、菌株、居群和型；

• 伍斯还在界之上使用域(domain)，他把全部生物分为

古生菌域、细菌域和真核生物域，域下面再分界，把"域"作为分类单元的最高等级。

微生物分类等级:界(亚界 ), 门 (亚门 ), 纲(亚纲 ), 目(亚目 ), 科(亚科 ), 属(亚属 ), 种(亚种 ).



种(species):微生物的种：



亚种(subspecies) :变种: 属(genus):科(family):培养物(culture):纯培养(pure culture:菌株(strain):居群(population):型(form或type):群(group) 、组(section) 、系(series):

常用型的术语及其含义中文译名推荐使用

的名称

以前使用

的同义词

应用于只有下列性状的菌株

生物型 biovar biotype 特殊的生理生化性状

血清型 serovar serotype 不同的抗原特征

致病型 pathovar pathotype 对宿主致病性的差异

噬菌型 phagovar phagotype lysotype

对噬菌体溶解反应的差异

形态型 morphovar phagotype lysotype

特殊的形态学特征


2.数值分类方法（Numerical Taxonomy ）：

数值分类是一项完全不同的分类方法。取代等级分类中特征对于分类的不同水平，数值分类在对于所有的特征都等量处理的基础上，进行生物之间的相似性的比较。

比较方法有两种比较方法有两种::

匹配系数方法（匹配系数方法（matching coefficient methodmatching coefficient method））

相似系数方法（相似系数方法（similarity coefficient methodsimilarity coefficient method））

9.2.1 Principles of Taxonomy9.2 Microbial Taxonomy

匹配系数

相似系数


2.数值分类方法（Numerical Taxonomy ）：

数值分类的优点1) 存贮、分析、处理极为错综复杂的庞大数据;2) 自动输出鉴定结果;3) 工作效率高;4) 奠定了微生物鉴定的快速、准确、自动化的基础。

局限:（1）数据库的全面和更新（2）数值分类的第一步是决定微生物特征的阳性或阴性。正确可靠的分类至少要有50个特征，最好上百个特征进行比较和计算，特征应包含形态学、生物化学和生理学等不同方面。

Microbial ID/Characterization（Carbon source metabolic fingerprints）

The Biolog Systems can rapidly identify over 1,900 speciesof aerobic and anaerobic bacteria, yeasts, and fungi.

9.2 Microbial Taxonomy


分子学特征: Molecular characteristics分子学特征则是对蛋白质和核酸进行分析，由于分析的是基因的直接产物或基因本身，更真实地反映了微生物之间的相互关系，是非常有效的分类方法。

传统特征: Classical characteristics形态、生理、生化、生态、遗传特征、化学分类特征，这些特征用于微生物分类多年，对于常规鉴定和系统信息的获得非常有用。

微生物分类特征


1.形态学特征 morphological characteristics

(1)培养特征(2)细胞形态(3)特殊的细胞结构(4)细胞内含物(5)染色反应(6)运动性

2.生理及代谢特征（physiological and metabolic characteristics）

9.2.2 Classical Taxonomy9.2 Microbial Taxonomy

(1)营养类型(2)对氮源的利用能力(3)对碳源的利用能力(4)对生长因子的需要(5)需氧性(6)对温度的适应性(7)对pH的适应性(8)对渗透压的适应性(9)对抗生素及抑菌剂的敏感性(10)代谢产物(11)与宿主的关系

值得强调的是，由于不少

生理生化特征是染色体外

遗传因子编码的、加上影

响生理生化特征表达的因

素比较复杂，所以根据生

理生化特征来判断亲缘关

系进行系统分类时，必须

与其他特征特别是基因型

特征综合分析，否则就可

能导致错误的结论。



3.细胞繁殖（cellular reproduction）

微生物的繁殖方式表现出丰富的多样性，是重要的分类鉴定特征。

•二分裂方式繁殖

•形成精细的繁殖结构，产生特定的繁殖细胞

•无性繁殖，有性繁殖

•某些微生物的繁殖是通过进入其他生物有机体内进行

所有的微生物的细胞表面都有高特异地区别与其他微生物的独特分子组成。每一种微生物都有自己独特的细胞表面抗原。

抗原性组分:全细胞、细胞

壁、鞭毛、荚膜或粘液层、纯化的蛋白质

4.血清型（serotype，serovar）9.2.2 Classical Taxonomy



5.遗传分析（genetic analysis）9.2.2 Classical Taxonomy

遗传分析对于大多数有性繁殖的真核微生物是非常有用的分类特征，而对于无性繁殖的原核微生物，染色体基因通过转化、接合而发生的交换，有时也是有用的分类特征。

转化（transformation）通常发生在原核生物不同的菌种

之间，但在不同的属之间几乎不发生。

接合（conjugation）对于肠细菌类（enteric bacteria）。例如，Escherichia 的细菌可以和Salmonella及 Shigella的细菌发生接合作用，但是不能与Proteus和 Enterobacter的细菌

发生接合作用。


9.2.2 Classical Taxonomy6．Fattyacid analyses: FAME p344

细胞膜或外膜的脂肪酸，经甲酯化，气相色谱分析

FAME: fatty acid methyl esterFig 11.21


6．Fattyacid analyses: FAME p344


细胞膜或外膜的脂肪酸，经甲酯化，气相色谱分析

FAME: fatty acid methyl esterFig 11.21p355


6．Fattyacid analyses: FAME p344


枝菌酸分析：诺卡氏型放线菌（CW IV型）细胞抽

提物中高分子脂肪酸

β α

R1-CH-CH-COOH⎜ ⎜

OH R2

Nocardia 50个碳原子诺卡氏枝菌酸Mycobacterium 80个碳原子分枝杆菌枝菌酸Corynebacterium 30个碳原子棒状杆菌枝菌酸


7．其他化学分类特征


（1）细胞壁组分

目前用于放线菌分类

I L-DAP，glycine Streptomyces，SporichthyaII meso-DAP，glycine Micromonospora，ActinoplanetesIII meso-DAP FrankiaIV meso-DAP，Arabinose，galactose NocardiaV lysine，Ornithine ActinomycesVI lysine（asparic acid，galactose）VII DAB，glycineVIII ornithineIX meso-DAP，多种氨基酸




（2）磷酸类脂类分析 CM上的磷酸类脂5型




（2）磷酸类脂类分析

特征性的磷酸类脂代表菌属

PE PME PC Glu Nu PG

PI − − − − v 双歧杆菌属，棒杆菌属，弗兰克氏菌属等

PII + − − − − 放线菌属，分枝杆菌属，诺卡氏菌属等

PIII v v + − v 假诺卡氏菌属，小多孢菌属，放线多孢菌属

PIV v v − + − 小双孢菌属，链孢囊菌属，游动单孢菌属

PV − − − + + 厄氏菌属，原小单孢菌属

磷酸类脂型




（3）醌型分析:

1-14个异戊烯单位不等, 多烯链上氢的饱和度不等

甲基萘醌

MK-9, MK-9(H2), MK-10(H4)

9.2.3 Molecular Taxonomy9.2 Microbial Taxonomy

1．蛋白质比较（comparison of proteins）

蛋白质指纹图

(protein profiles，protein fingerprinting)•可溶性蛋白或全细胞蛋白提取液进行电泳图谱比较；

•比较同类蛋白质的电泳迁移率。



Whole-cell protein profiles



Outer-membrane protein profiles


2．核酸碱基组成（Nucleic acid base composition）

Fig 11.18

p342


2．核酸碱基组成（Nucleic acid base composition）

G+C含量在微生物分类上的意义至少有二：

•G+C含量对于微生物之间的不相关性的确定意义重大。

• G+C含量似乎可用于某些细菌的属级分类


3．核酸杂交（Nucleic acid hybridization）

基因组相似性研究更加直接的方法是进行核酸杂交。

Fig 11.19



基因组相似性研究更加直接的方法是进行核酸杂交。

Fig 11.18



RFLPs ( restriction fragment length polymorphisms) DNA 的限制性片段长度多态性

Ribotyping


4．PCR（Polymerase chain reaction））

rep-PCR 技术Repetitive element sequence based PCR

常用三种方法：REP（repetitive Extragenic Palindromic）ERIC（ Enterobacterial repetitive intergenic consensus）BOX-PCR

REP- and ERIC-PCR generates species- and strain-specific DNA fingerprints of Gram-negative enteric bacteria

（4）PCR 技术

现代微生物分类鉴定技术

----现代微生物分类鉴定技术

2.核酸分析

REP- and ERIC-PCR generates species- and strain-specific DNA fingerprints of Gram-negative enteric bacteria

REP-PCR

（4）PCR 技术

现代微生物分类鉴定技术

----现代微生物分类鉴定技术

2.核酸分析

ERIC-PCR


5．核酸测序（Nucleic acid sequencing）

DNA 序列分析是微生物鉴定的黄金指标

常用的目的基因有:

16S rRNA16～23S rRNA ISR(基因间隔区)hps60 (热休克蛋白基因)sodA(超氧化物歧化酶基因) 膜蛋白基因

耐药基因等


5．核酸测序（Nucleic acid sequencing）

16～23S rRNA 基因间区分析

16S - 23S 和23S - 5S 之间的全部序列称为

internal transcribed spacer ( ITS) ,

而将ITS 内部,除tRNA 基因和酶识别位点以外的其他非保守序列称为

intergenic spacer region( ISR). 也有人将ITS 序列称为rRNAintergenic gene spacer （IGS）,或者 ribosomal intergenicspacer （RIS）


9.2.3 Molecular Taxonomy6．质粒分析：

质粒构型（Plasmid profiles）；

质粒指纹图（Plasmid fingerprints）。

不同的生物体细胞其质粒构型或质粒指纹图是不同的，同种微生物不同的菌株，也会表现出差异。



Plasmid profile analysis of Eschericha coli strains



Plasmid fingerprints generated by EcoRI digestion of plasmids with similar molecular sizes

9.2.4 Nomenclature and Bergey’s Manual9.2 Microbial Taxonomy

1. 命名法则瑞典植物学家Carl von Linne

(1) 所有正式分类单元的学名, 必须用拉丁词或其他词源经拉丁化的词命名.(2) 属名: 一般拉丁字名词，字首字母大写, 主要特征.在文中第二次出现时，可以缩写为一个大写字母。

(3) 种名: 林奈氏双名法，由二个拉丁字组成:

属名(字首字母大写) + 种名加词(全部小写)Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa)Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis)Bacillus thuringiensis (B. thuringiensis )种名加词不能缩写。


9.2.4 Nomenclature and Bergey’s Manual1. 命名法则

(1) 所有正式分类单元的学名, 必须用拉丁词或其他词源经拉丁化的词命名.(2) 属名: 一般拉丁字名词，字首字母大写, 主要特征.

(3) 种名: 林奈氏双名法，由二个拉丁字组成

(4) 亚种名: 三元式组合;

属名+ 种名加词 + subsp. 亚种名加词Alcaligenes denitrificans subsp. xylosoxydans反硝化产碱杆菌氧化木糖亚种

Bacillus subtilus subsp. nigar枯草芽孢杆菌黑色亚种


9.2.4 Nomenclature and Bergey’s Manual




(5)属级以上分类单元的名称 :特定的词尾

目 ales Rickettsiales(立克次氏体目)科 aceae Rickettsiaceae(立克次氏体科)属 Rickettsia(立克次氏体属)

1. 命名法则


9.2.4 Nomenclature and Bergey’s Manual1. 命名法则




(5)属级以上分类单元的名称:特定的词尾(6)属名, 种名, 亚种名印刷体一律斜体.

若所分离的菌株只鉴定到属，而未鉴定到种，可用sp.来表示单数，spp.来表示复数. 例如 Bacillus sp. Bacillus spp.


9.2.4 Nomenclature and Bergey’s Manual2.命名模式

模式(type):是一定分类单元命名的依据。对于

一个分类单元的命名,应指定一个命名模式, 它是该分类单元的基本单元, 但不一定是该分类单元中最典型或最具有代表性的单元.

种和亚种的命名模式是模式菌株;属和亚属的命名模式是模式种;科(以及高于科的分类单元)的命名模式是模式属.



3. 新名称的合格发表

国际细菌命名法规规定,对于一个新名称的有效发表,必须在International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (IJSEM)上发表, 或其他杂志发表后，必须向IJSEM递交论文拷贝，同时将该菌株培养物保存在美国

ATCC(American Type Culture Collection)或德国DSMZ。

IJSEM 每期公布批准的菌种名，并为其收录在

Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology中做好准备。

ord. nov. 新目；gen. nov. 新属；sp. Nov. 新种

Pyrococcus furiosus sp. nov. 表明是一个新发表的种



Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology经典的细菌鉴定手册，仍然保留有许多传统的分类类群。

The Prokaryotes 是反映原核生物最近分类进展的最全面的参考。Is now available in an online edition(http://www.prokaryotes.com)

补充：Dictionary of Fungi, Eigth Edition published by CABI，International Mycological Institute (IMI) (Hawksworth et al. 1995)

中国真菌志中国真菌志第一卷白粉菌目 1987中国真菌志第二卷银耳目和花耳目中国真菌志第三卷多孔菌科中国真菌志第四卷小煤炱目（Ⅰ）中国真菌志第五卷曲霉属及其相关有性型中国真菌志第六卷霜霉目中国真菌志第七卷层腹菌目黑腹菌目高腹菌目中国真菌志第八卷核盘菌科地舌菌科中国真菌志第九卷假尾孢属中国真菌志第十卷锈菌目（一）……中国真菌志（第三十三卷） 2006-1-1

真菌分类以生态环境、形态特征、细胞结构、生殖特性为主要分类依据，并结合系统发育的规律

9. microbial evolution and systematics...9. microbial evolution and systematics 9.1 evolutionary...

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