微生物学(第三版,中译本)

A 微生物世界 A1 微生物世界 要点 微生物横跨生物界中的3个主要域：细菌域、古生菌域和真核生物域。细胞核的存在是真核生物的重要标志，由于细菌和古生菌都不具有细胞核忻被称为原核生物。除细胞核外，原核生物和真核生物在生理生化性质方面还存在着许多差异。 何谓微生物 微生物（microbe）是一群形态结构多样的生物体，包括病毒、单细胞类群（古生菌、细菌、原生生物以及一些真菌和绿藻）和一小部分具有简单得多细胞结构的生物体（大型真菌和绿藻）。这些大型微生物通常呈丝状、片状或薄壁状，这些形状并不是它们的真实组织。在不借助显微镜的情况下，多数微生物均不为人的肉眼可见。 微生物学 微生物学（microbiology）是指以微生物为研究对象的一门学科。目前，微生物学除研究传统的微生物结构和生理学之外，还包括微生物分子生物学和微生物功能生态学。微生物学于17世纪后期出现，其标志是安东 范 列文虎克（Autonie van Leeuwenhoek）利用简单的显微镜从混合自然培养物中发现了细菌。但是，直到19世纪五六十年代路易斯 巴斯德（Louis Pasteur）才用简单的灭菌生肉汤实验推翻了争论已久的微生物自然发生说（spontaneous generation）。使微生物学成为主流科学。 早期，微生物学的研究对象主要包括土壤和沉积物环境中的微生物、自然发酵产物以及具有传染能力的微生物。直到1 9世纪后期，罗伯特 柯赫（Robert Koch）建立的微生物纯培养技术才使微生物学研究进入到简约化（reductionist）阶段，此时微生物在实验窒获得了分离并进行了表征。 20世纪，微生物学家的研究重点主要集中在发现和表征大量不同的微生物上，包括发现并建立了一个新的生物界——古生菌界，发现了新的细菌病原体军团菌（Legio-nella）和抗二甲氧基苯青霉素金黄色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus au-reus，MRSA），以及含有人体免疫缺陷病毒（human immune deficiencv virus，HIV）的复合真菌病原体，如肺孢子虫（pneumocystis）。生活在极端环境中的具有耐高温脱氧核糖核酸（deoxvribonucleic acid，DNA）聚合酶的微生物群落的发现，使微生物学开辟了一个新的研究领域——分子生物学（molecular biology）。 分子生物学技术的快速发展使微生物学的研究又回到了自然环境中。像变性梯度凝胶电泳（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE）和单链构象多态性（single stran-ded conformation polymorphism，SCCP）、DNA芯片和原位杂交等技术成为我们在分子水平上研究微生物生态学的工具。微生物学研究又回到了它的根源。 细菌、古生菌和真核生物 微生物界包括由同一个祖先进化而来的3个细胞谱系（图A.1）。这些谱系称为域（do-main），域的划分依据是所有生物的基因组成中具有共有的DNA序列（参见B3）。这3个域分别是细菌域（以前称为真细菌）、古生菌域（以前称为古细菌）和真核生物域。与古生菌和细菌相比，真核生物（eukarya）本质是含有细胞核。通常将不含有细胞核的细胞谱系（细菌和古生菌）称为原核生物。除极少数外（参见C6），原核生物都是微生物，但是真核生物域不仅包括属于微生物的真菌、绿藻和原生生物（参见I），还包括动植物等高等生物。 原核生物细胞结构的*大特点是没有细胞核，但同时它也缺少产生能量的细胞器，如线粒体和叶绿体。原核微生物能量的产生是通过跨膜的细胞质底物水平磷酸化和氧化磷酸化实现的（参见E'3）。除这些主要的区别之外，原核生物和真核生物在生理生化性质方向也存在着许多差异，卡要的差异见表A.1。细菌和古生菌之间的差异（参见C6）将在其他章节详细论述。 图A.1 由共同祖先进化而来的3个细胞谱系 表A.1 原核生物和真核生物的主要区别 本卷所涉及主题的综述 系统学 细菌系统学（bacterial systematics）使微生物学家可以合理地命名、分类和鉴定（identification）细菌和古生菌。分子生物学在微生物学中的重要性表现在16S rRNA[核糖体核糖核酸（ribosomal ribonucleic acid）]序列在微生物系统发育中的突出地位。普通微生物学（general microbiology）微生物学作为一门科学经历了漫长的发展过程，但我们也仅仅是刚开始在微生物的生态、生化和基因多样性方面对其进行研究。现在已经建立了许多在实验室中测定微生物生长的精确方法。我们对微生物的认识已经取得了进展，完全可以对原核生物的精细细胞结构进行研究，不再简单地认为它只是一个装有酶的几袋。对微生物分裂和运动的认识也使我们在真核生物生物学方而取得了重大突破。尽管在病原微生物学方面的研究比较深人，但我们也逐渐认识到微生物在地球生物化学循环中所担当的重要角色。 微生物生长 在实验室条件下，限制大多数原核生物在分批或连续培养过程中的分裂增殖的因素可以用数学模型考察。从这些模型可以看出在设计任何发酵罐之前都要对罐中培养物的需氧量进行优化。 分子生物学 遗传学的研究促进了微生物学的发展，DNA的新陈代谢、体内和体外的遗传操作贯穿整个生物学。DNA复制法则、mR-NA转录和蛋白质翻译都首先在大肠杆菌（Escherichia coli）中进行了表征。结合我们对转录调控和细胞问DNA转移机制的详细了解，现在我们已经使细菌成为一种DNA重组技术的强大工具。 真核微生物 大量真核微生物的类群已经被基于网络生命树的分类系统所确认。普通细胞生物学和真核微生物的细胞分裂已经进行了阐述，随后在独立的章节中将详细介绍真菌、光合和非光合原生生物的结构、生理和繁殖。同时阐述各个类群微生物对其环境的有益及有害影响，对原生生物寄生虫的分类及致病性也将进行比较深入的论述。 B 系统学 B1 原核生物的系统学 要点 分类和分类学 分类是组织信息的一种方法。虽然可以根据微生物的生长特征进行分类（如化能自养细菌、反硝化细菌），但正规的还是根据林奈系统对其进行分类。微生物分类的全部内容称为微生物分类学。每一种微生物都町以用它们独特的种名和属名加以区分。 原核生物的鉴定 鉴定的目的是确认新分离微生物的分类地位，通常要确定它们的种属地位。然而，在原核生物中种的定义一直没有高等真核生物那样明确。 原核生物的系统发育 微生物类群之间的进化关系称为微生物的系统发育。根据微生物的DNA序列确定它们的进化关系即系统发生学。细菌和古生菌的分类学在很大程度上反映了它们的系统发育历程。 相关主题 细菌的鉴定（B2） 基于rRNA基因序列的系统发育分析（B3） 原核生物的多样性（C2） 原核生物及其环境（C11） 分类和分类学 随着分子生物学方法的出现，鉴定、分类和进化关系的差别已经变得模糊。在细菌生物学中分类（classification）只是一种组织信息的简单方法。这种组织方法可能只有潜在的含义或者根本没有任何含义。我们可以根据细菌在琼脂平板上生长时所形成的菌落颜色对其进行分类，通过这种分类方法我们可以给出黄色和红色细菌的明显差别。然而，大部分细菌将被门到具有乳白色菌落的粪群。早期，我们常根据微生物细胞的形状对其进行分类，按照这种分类方法杆状细菌（现在也称为棒状细菌）形成数量*大的一个类群，而球状、丝状及其他形状的细菌则形成数量较小的类群。必须强调的是这种分类方法比较武断，但至今仍在一定程度上应用。现在，微生物学家通常根据微生物的生长特征（厌氧生物、化能无机营养生物、甲基营养生物等，参见C2和D1）对其进行分类。 微生物学分类的基本方法是林奈分类系统（Linnaean system），通常也要考虑其他生物学信息。林奈系统是一个等级分类系统，各主要分类群都被依次划分到*低级的种分类水平（图B.1）。 图B.1 完整的林奈分类系统 大肠杆菌的完整分类是原核生物域、细菌界、变形菌门、λ变形菌纲、肠杆菌口、肠杆菌科、埃希氏菌属、大肠杆菌种。每个分类等级都称为一个分类单元（taxon，复数taxa）。这种分类系统使生物学家可以将鉴定的任何一种独特的微生物仅仅根据合适的种属地位将其归到更高的域和界分类单元中。大肠杆菌的全称就代表了它的分类地位，林奈系统是一种分类系统。 在这本书中，古生菌和细菌（原核生物）以及个别的界都用正确的域名和界名表示。少数较早的分类糸统用真细菌和古细菌等界名表示，但在本书中很少使用这些界名表示。 原核生物的鉴定 通过对原核生物进行适当的系统分类，现在微生物学家开始将生物体划归到该分类框架内，并用系统分类来描述和鉴定这些物种。在实验室中，当一个生物被首次纯化后，通常称为分离物（isolate），并给其一个编号，用以同其他生物进行区分。在不同时问或不同地点分离得到的不同分离物可能具有相同的遗传学性质。 通常将一个新分离的细菌划归到适当的属不存在什么争议，可以将新分离的微生物用属名加编号表示，如Paracoccus（副球菌属）strain NCIMB 8944。与动物界相比，由于存在着非常大的遗传多样性，因此我们很难将种（species）的概念应用到细菌和古生菌中。所以，通常用亚种（subspccics）米区分那些属于同一个种但又存在微小差异[通常是指菌株（strain）]的生物变种（biovar）。例如，引起鼠疫的鼠疫耶尔森氏茵（Yersiniapestis）又被分为包括东部亚种和中部亚种在内的不同生物变种。同一个种中的不同菌株有时用亚种表示；植物病原菌胡萝卜软腐欧文氏菌（Erwinia carotovora）包括黑腐亚种和软腐亚种等。在这种情况下，不同亚种的成员表示引起植物病的病理不同。在微生物学研究中，定义种的意义在于在记录一个生物时可以很好地反映其原始分离编码，便于在不同的实验室中对其历史进行追踪。 尽管微生物学家对将每个细菌和古生菌的分类单元定义到属水平意见比较统一，但是否将种作为生物多样性的*基本单位仍有待讨论。属中一个种（即DNA同源性低于一定的数值）的定义并不适用于另一个种，这个问题在人类病原菌中更为突出（参见B2）。如果我们不能正确并一致地定义种，那么将生物鉴定到种的水平似乎存在问题。原核微生物的鉴定方法，即将我们新的分离物进行分类，将在B2节中详细沦述。 原核生物的系统发育 系统发育（phylogeny）是指对各分类单元之间进化关系的描述。在微生物学中更倾向于利用DNA序列而不是形态特征（就像动植物的形态）作为系统发育的依据。因此，通常将其称为系统发生学（phylogenetics）。就我们目前所知，多数细菌和古生菌的分类都反映了它们的系统发育。当然，任何分类系统都存在着争论，许多种属确切的系统发育学和分类学地位仍在不断地讨论中。 B2 细菌的鉴定 要点 细菌的鉴定 在微生物实验室中，新分离细菌的鉴定多数是根据它们的生化性质，基因序列通常作为它们后续分类的指标之一。 基于生长特性的鉴定 新分离细菌在选择、鉴别（诊断）培养基上的生长情况町以为其鉴定提供帮助。数值分类是根据细菌存不同糖培养基上的生长能力和它们拥有的关键酶进行的。通过参考商业化数据库或伯杰氏系统细菌学手册，利用数值分类可以埘细菌进行鉴定。 其他鉴定方法 我们还可以通过分析细菌在特定条件下产生的脂肪酸（FAME脂