《原核微生物的多樣性》課件

原核微生物的多樣性探索微觀世界的奇妙多樣性課程概述原核微生物的定義無(wú)細(xì)胞核的微小生物多樣性的概念形態(tài)、生理、生態(tài)多樣性課程結(jié)構(gòu)什么是原核微生物？細(xì)胞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)無(wú)核膜界定的細(xì)胞核無(wú)膜包圍的細(xì)胞器含有環(huán)狀DNA細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特殊與真核生物的區(qū)別體積更小結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單代謝方式多樣原核微生物的主要類(lèi)群細(xì)菌地球上分布最廣泛的生物幾乎存在于所有環(huán)境中古菌常見(jiàn)于極端環(huán)境細(xì)菌的多樣性生態(tài)多樣性從深海到高空，無(wú)處不在生理多樣性代謝方式豐富多樣形態(tài)多樣性細(xì)菌的形態(tài)多樣性球菌球形細(xì)菌，如葡萄球菌、鏈球菌桿菌桿狀細(xì)菌，如大腸桿菌、枯草桿菌螺旋菌細(xì)菌的大小范圍0.2μm最小細(xì)菌超微型細(xì)菌，如納米細(xì)菌750μm最大細(xì)菌巨大硫細(xì)菌，肉眼可見(jiàn)1-5μm平均大小大多數(shù)細(xì)菌的尺寸范圍細(xì)菌的特殊結(jié)構(gòu)鞭毛運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，幫助細(xì)菌游動(dòng)菌毛附著結(jié)構(gòu)，介導(dǎo)基因交換莢膜保護(hù)層，抵抗吞噬和干燥細(xì)菌的生理多樣性營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型獲取能量和碳源的不同方式呼吸類(lèi)型對(duì)氧氣需求的不同適應(yīng)性溫度適應(yīng)性在不同溫度范圍生長(zhǎng)的能力細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型自養(yǎng)細(xì)菌利用無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物光合自養(yǎng)化能自養(yǎng)異養(yǎng)細(xì)菌利用有機(jī)物獲取能量腐生寄生共生細(xì)菌的呼吸類(lèi)型好氧菌需氧氣生長(zhǎng)，如銅綠假單胞菌厭氧菌無(wú)氧環(huán)境生長(zhǎng)，如梭菌屬兼性厭氧菌有無(wú)氧均可生長(zhǎng)，如大腸桿菌細(xì)菌的溫度適應(yīng)性細(xì)菌的生態(tài)多樣性土壤細(xì)菌參與土壤肥力形成及物質(zhì)循環(huán)水生細(xì)菌凈化水體，維持水生態(tài)系統(tǒng)平衡空氣中的細(xì)菌參與大氣微生物循環(huán)和云的形成極端環(huán)境中的細(xì)菌高溫環(huán)境溫泉、熱液噴口中的嗜熱菌可在95°C以上生存高鹽環(huán)境鹽湖、鹽田中的嗜鹽菌耐受近飽和鹽濃度高壓環(huán)境深海環(huán)境中的嗜壓菌適應(yīng)數(shù)百大氣壓環(huán)境古菌的多樣性形態(tài)特征多為球形或桿狀，結(jié)構(gòu)與細(xì)菌相似生理特征多適應(yīng)極端環(huán)境，代謝方式獨(dú)特生態(tài)分布廣泛分布于極端和常規(guī)環(huán)境中古菌的主要類(lèi)群泉古菌門(mén)主要是極端嗜熱古菌廣古菌門(mén)包括產(chǎn)甲烷菌和嗜鹽菌纖維古菌門(mén)主要在海洋和土壤中發(fā)現(xiàn)古菌的特殊適應(yīng)性極端嗜熱古菌生活在溫度超過(guò)80°C的環(huán)境甲烷產(chǎn)生古菌能產(chǎn)生甲烷氣體的特殊代謝方式嗜鹽古菌在高鹽環(huán)境中繁殖生長(zhǎng)原核微生物的系統(tǒng)分類(lèi)傳統(tǒng)分類(lèi)方法基于形態(tài)和生理特征現(xiàn)代分子分類(lèi)方法基于遺傳物質(zhì)的差異多相分類(lèi)法綜合多種信息的分類(lèi)方法傳統(tǒng)分類(lèi)方法1形態(tài)學(xué)分類(lèi)根據(jù)細(xì)胞形態(tài)、大小和排列方式分類(lèi)2生理生化分類(lèi)基于代謝特性和酶的活性分類(lèi)3血清學(xué)分類(lèi)利用抗原抗體反應(yīng)進(jìn)行分類(lèi)現(xiàn)代分子分類(lèi)方法16SrRNA基因分析原核生物分類(lèi)的"金標(biāo)準(zhǔn)"高度保守的核糖體RNA基因全基因組分析比較整個(gè)基因組序列提供更全面的進(jìn)化信息多相分類(lèi)法結(jié)合多種分子標(biāo)記綜合形態(tài)、生理和分子數(shù)據(jù)原核微生物的進(jìn)化地球早期生命最早出現(xiàn)的生物形式內(nèi)共生理論細(xì)胞器起源于原核生物內(nèi)共生水平基因轉(zhuǎn)移加速進(jìn)化的重要機(jī)制原核微生物的生態(tài)作用物質(zhì)循環(huán)碳、氮、硫等元素循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力能量流動(dòng)能量轉(zhuǎn)化和傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)環(huán)境凈化分解有機(jī)廢物和污染物原核微生物在碳循環(huán)中的作用光合作用固定大氣中的二氧化碳有機(jī)物分解將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單物質(zhì)甲烷產(chǎn)生與氧化影響溫室氣體平衡原核微生物在氮循環(huán)中的作用原核微生物在硫循環(huán)中的作用1硫的氧化將硫化物轉(zhuǎn)化為硫酸鹽硫的還原將硫元素還原為硫化氫硫酸鹽的還原將硫酸鹽還原為硫化物原核微生物與人類(lèi)的關(guān)系有益微生物發(fā)酵食品、合成抗生素、環(huán)境修復(fù)有害微生物引起疾病、食物腐敗、材料破壞中性微生物在特定條件下可能有益或有害有益原核微生物的應(yīng)用食品發(fā)酵乳酸菌、醋酸菌、酵母菌的應(yīng)用抗生素生產(chǎn)鏈霉菌、芽孢桿菌的醫(yī)學(xué)應(yīng)用生物修復(fù)降解污染物，凈化環(huán)境原核微生物在食品工業(yè)中的應(yīng)用乳制品發(fā)酵乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生酸奶、奶酪酒類(lèi)發(fā)酵酵母菌和細(xì)菌參與啤酒、葡萄酒生產(chǎn)醋的生產(chǎn)醋酸菌氧化乙醇生成醋酸原核微生物在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用抗生素生產(chǎn)鏈霉菌產(chǎn)生鏈霉素青霉菌產(chǎn)生青霉素芽孢桿菌產(chǎn)生多肽抗生素疫苗制備減毒活菌疫苗滅活疫苗亞單位疫苗酶制劑生產(chǎn)淀粉酶蛋白酶脂肪酶原核微生物在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用廢水處理活性污泥法中的微生物降解有機(jī)污染物土壤修復(fù)利用細(xì)菌降解農(nóng)藥、石油等污染物生物降解分解難降解塑料和有毒有機(jī)物病原性原核微生物細(xì)菌性疾病由致病細(xì)菌引起的感染性疾病如肺炎、結(jié)核病、傷寒等古菌相關(guān)疾病與古菌相關(guān)的疾病相對(duì)較少可能參與某些腸道疾病防控措施抗生素治療、疫苗接種環(huán)境消毒、個(gè)人衛(wèi)生常見(jiàn)細(xì)菌性疾病疾病致病菌主要癥狀肺炎肺炎鏈球菌發(fā)熱、咳嗽、呼吸困難結(jié)核病結(jié)核分枝桿菌慢性咳嗽、咯血、消瘦食物中毒沙門(mén)氏菌、金黃色葡萄球菌腹痛、腹瀉、惡心嘔吐新發(fā)和再發(fā)細(xì)菌性疾病耐藥菌感染耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染人畜共患病布魯氏菌病、炭疽等在動(dòng)物和人間傳播熱帶疾病霍亂、麻風(fēng)等在熱帶地區(qū)流行原核微生物與植物的相互作用共生關(guān)系固氮菌與豆科植物的互利共生病原關(guān)系引起植物疾病，如青枯病、軟腐病促生作用促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)抗逆性根瘤菌與豆科植物的共生固氮作用將大氣氮轉(zhuǎn)化為植物可利用的氨共生機(jī)制誘導(dǎo)根瘤形成，建立共生關(guān)系農(nóng)業(yè)應(yīng)用減少化肥使用，提高土壤肥力原核微生物與動(dòng)物的相互作用共生微生物定植于宿主體表或體內(nèi)，互利共存病原微生物入侵宿主，引起疾病益生菌有益于宿主健康的微生物人體微生物組腸道菌群皮膚菌群口腔菌群原核微生物的遺傳多樣性基因組大小變化從極小的支原體到大型藍(lán)藻基因組大小差異可達(dá)百倍基因功能多樣性適應(yīng)各種生態(tài)位的基因功能代謝功能的豐富多樣性可移動(dòng)遺傳元件質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子、噬菌體促進(jìn)基因水平轉(zhuǎn)移原核微生物基因組特點(diǎn)0.58Mb最小基因組寄生細(xì)菌微小病原體的基因組大小9.4Mb最大基因組土壤細(xì)菌根瘤菌的基因組大小1個(gè)染色體數(shù)量大多數(shù)原核生物只有一個(gè)環(huán)狀染色體原核微生物的代謝多樣性獨(dú)特代謝能力分解復(fù)雜化合物的特殊途徑次級(jí)代謝產(chǎn)物抗生素、毒素等特殊分子中心代謝途徑糖酵解、TCA循環(huán)等基本路徑原核微生物的信號(hào)傳導(dǎo)雙組分系統(tǒng)感受和響應(yīng)環(huán)境信號(hào)的主要機(jī)制群體感應(yīng)細(xì)菌間通過(guò)化學(xué)信號(hào)進(jìn)行交流化學(xué)趨向性朝向或遠(yuǎn)離特定化學(xué)物質(zhì)移動(dòng)原核微生物的應(yīng)激反應(yīng)熱休克反應(yīng)高溫誘導(dǎo)熱休克蛋白表達(dá)SOS反應(yīng)DNA損傷時(shí)啟動(dòng)修復(fù)機(jī)制營(yíng)養(yǎng)匱乏反應(yīng)營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)激活備用代謝途徑原核微生物的生物膜形成機(jī)制初始黏附、微菌落形成、成熟、分散結(jié)構(gòu)特點(diǎn)細(xì)胞、胞外基質(zhì)、水通道多層結(jié)構(gòu)生態(tài)意義增強(qiáng)抗逆性，促進(jìn)基因交換原核微生物的運(yùn)動(dòng)性鞭毛運(yùn)動(dòng)利用旋轉(zhuǎn)的鞭毛推動(dòng)細(xì)胞移動(dòng)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)通過(guò)分泌粘液在表面滑行趨化性向有利環(huán)境移動(dòng)，遠(yuǎn)離不利環(huán)境原核微生物的能量代謝發(fā)酵無(wú)氧條件下分解有機(jī)物獲取能量呼吸鏈通過(guò)電子傳遞鏈氧化有機(jī)物光合作用利用光能合成有機(jī)物原核微生物的特殊代謝能力化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)氧化無(wú)機(jī)物獲取能量如鐵、硫、氫、氨的氧化甲烷代謝產(chǎn)甲烷古菌的特殊代謝甲烷氧化菌的甲烷利用芳香族化合物降解降解苯、多環(huán)芳烴等環(huán)境修復(fù)中的重要應(yīng)用原核微生物的群落結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)菌群功能群稀有菌群原核微生物的相互作用競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)奪共同資源，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和空間協(xié)同共同利用資源，互惠互利拮抗產(chǎn)生抗生素等抑制其他微生物生長(zhǎng)原核微生物與環(huán)境因子的關(guān)系原核微生物的適應(yīng)性進(jìn)化基因突變DNA復(fù)制錯(cuò)誤或環(huán)境因素導(dǎo)致的序列變化水平基因轉(zhuǎn)移通過(guò)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合獲得新基因基因重組通過(guò)交叉互換產(chǎn)生新的基因組合原核微生物的研究方法培養(yǎng)方法分離純化和表型觀察2分子生物學(xué)方法基因檢測(cè)和功能分析組學(xué)方法全局性系統(tǒng)研究方法原核微生物的培養(yǎng)技術(shù)純培養(yǎng)分離單一菌株研究特定菌種特性富集培養(yǎng)選擇性培養(yǎng)特定功能微生物基于生理生態(tài)特性連續(xù)培養(yǎng)持續(xù)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)模擬自然環(huán)境條件原核微生物的分子鑒定PCR技術(shù)擴(kuò)增特定DNA片段進(jìn)行檢測(cè)DNA測(cè)序分析DNA序列確定菌種身份熒光原位雜交直接在樣品中檢測(cè)特定微生物原核微生物的組學(xué)研究基因組學(xué)全基因組測(cè)序與分析轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究RNA表達(dá)譜蛋白質(zhì)組學(xué)分析全部蛋白質(zhì)表達(dá)與功能原核微生物資源的保護(hù)菌種保藏菌種收集、保存與分發(fā)生物多樣性保護(hù)保護(hù)微生物棲息地和生態(tài)系統(tǒng)遺傳資源管理原核微生物的可持續(xù)利用原核微生物的生物安全實(shí)驗(yàn)室安全生物安全柜、個(gè)人防護(hù)設(shè)備使用環(huán)境釋放風(fēng)險(xiǎn)基因修飾微生物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估3生物武器防控高致病性微生物的管理與監(jiān)控原核微生物學(xué)的前沿領(lǐng)域合成生物學(xué)設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有新功能的生物系統(tǒng)微生物組工程操控微生物群落結(jié)構(gòu)和功能單細(xì)胞技術(shù)研究單個(gè)微生物細(xì)胞的特性原核微生物與地球生物圈微生物驅(qū)動(dòng)的生物地球化學(xué)循環(huán)元素循環(huán)的核心驅(qū)動(dòng)力維持地球物質(zhì)平衡全球氣候變