Лекция 5. 2 сем

Лекция № 5 Систематика бактерий

Тема 2. Систематика и практическое значение микроорганизмов

5.1.Основные принципы систематики бактерий

5.2.Отдел Gracilicutes

5.3.Отдел Firmicutes

5.4.Отдел Tenericutes

5.1.Основные принципы систематики бактерий

Основной таксономической единицей систематики бактерий является вид.

Вид – это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющая единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками.

Внутри вида выделяют варианты микроорганизмов, отличающиеся отдельными признаками. Так, различают:

серовары (по антигенной структуре); хемовары (по чувствительности к химическим веществам); фаговары (по чувствительности к фагам); ферментовары; бактериоциновары; бактериоциногеновары.

Бактериоцины – вещества, продуцируемые бактериями и губительно действующие на другие бактерии. По типу продуцируемого бактериоцина различают бактериоциновары, а по чувствительности – бактерициногеновары.

Для видовой идентификации бактерий необходимо знать следующие их свойства: морфологические (форму и структуру бактериальной клетки); тинкториальные (способность окрашиваться различными красителями); культуральные (характер роста на питательной среде); биохимические (способность утилизировать различные субстраты); антигенные.

Виды, связанные генетическим родством, объединяют в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки. Более высокими таксономическими категориями являются классы, отделы, подцарства и царства.

Внекоторых группах виды объединены в роды, которые описаны в случайной последовательности, в других роды сгруппированы в семейства и порядки.

Внастоящее время для систематики микроорганизмов используется ряд таксономических систем.

Нумерическая таксономия. Признает равноценность всех признаков. Для ее применения необходимо иметь информацию о многих десятках признаков. Видовая принадлежность устанавливается по числу совпадающих признаков.

Серотаксономия. Изучает антигены бактерий с помощью реакций с иммунными сыворотками. Наиболее часто применяется в медицинской бактериологии. Недостаток – бактерии не всегда cодержат видоспецифический антиген.

Хемотакcономия. Применяются физико-химические методы, с помощью которых исследуется липидный, аминокислотный состав микробной клетки и определенных ее компонентов.

Генная систематика. Основана на способности бактерий с гомологичными ДНК к трансформации, трансдукции и конъюгации, на анализе внехромосомных факторов наследственности – плазмид, транспозонов, фагов.

Совокупность основных биологических свойств бактерий можно определить только у чистой культуры – это бактерии одного вида, выращенные на питательной среде.

В настоящее время в связи с развитием молекулярной биологии применяют и новые подходы – методы геносистематики, то есть анализ нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. На основании анализа состава нуклеотидов, определения их последовательности определяют степень генетической близости микроорганизмов. В качестве важного критерия при отнесении микроорганизмов к той или иной группе рассматривают последовательность рибосомных РНК. Это относительно короткие цепочки нуклеотидов, которые мало изменяются в ходе эволюции. Характерный для каждой особи набор генов составляет генотип. Применение молекулярных методов существенно изменило существовавшую ранее систематику, выдвинув на первое место общность происхождения и генетическую близость организмов одного таксона.

Кодексы биологической номенклатуры - своды правил, регламентирующие образование и применение научных названий живых организмов.

Основные принципы, на которых базируется современная биологическая систематика, были разработаны шведским натуралистом Карлом Линнеем (1707—1778). Им же были введены в практику биномиальные названия видов.

Рисунок 1. Карл Линней (1707—1778)

Международный кодекс ботанической номенклатуры (МКБН) - свод правил и рекомендаций, регламентирующий образование и применение научных названий растений, грибов и некоторых других групп организмов.

МКБН распространяется не только на растения в современном понимании (включая и бесцветные водоросли), но также и на сине-зелёные водоросли, которые по

Международный кодекс зоологической номенклатуры (МКЗН) - международно

рекомендаций, регламентирующий образование и применение научных названий бактерии, включая актиномицеты.

Хронологически первыми были попытки использовать накопленные сведения о фенотипических признаках бактерий для построения традиционной системы в виде некоего "генеалогического древа".

Все используемые признаки мысленно распределяли по степени их значимости, результатом чего являлось субъективное (основанное только на опыте и интуиции исследователя) создание иерархической системы признаков.

Затем в зависимости от важности признаков объекты разбивали на таксономические группы

Вначале основное внимание уделяли морфологическим признакам бактерий.

Так, в 1872 г. Ф.Кон (F.Cohn, 1828-1898) разделил бактерии на группы по морфологическим признакам: кокки, короткие палочки, удлиненные палочки, спирали.

В1909 г. С.Орла-Йенсен (S.Orla-Jensen) сделал попытку классифицировать бактерии на основе известных к тому времени физиологических признаков

Важным шагом в развитии систематики прокариот явилось использование признаков, дающих информацию о химическом строении клетки: состав оснований ДНК, ДНК-ДНК-гомологии и ДНК-РНК-гомологии, аминокислотная последовательность белков, строение рибосом, компонентов клеточной стенки и т.д.

Иной подход для определения степени сходства между прокариотами - нумерическая систематика.

Воснове ее лежат идеи, сформулированные в середине XVIII в. французским ботаником М.Адансоном (М.Adanson, 1727-1806): все признаки объекта считаются равноценными; при описании исследуемого объекта используется максимальное количество признаков, которые могут быть изучены и определены; степень сходства устанавливается на основании количества совпадающих признаков и выражается в виде коэффициента сходства.

Классификация, построенная на принципах М.Адансона, - трудоемкий процесс, поэтому свое развитие и практическое применение она получила лишь в последнее время в связи с успехами в области вычислительной техники.

Как правило, для оценки сходства прокариот используют порядка 100 признаков, что составляет приблизительно 10% от количества признаков, определяющих бактериальный фенотип. Следовательно, учитывается только незначительная часть признаков классифицируемого объекта.

объем информации постоянно возрастает Нумерическая таксономия может быть полезна при оценке степени сходства между

таксонами невысокого ранга (виды, роды), но прямого отношения к созданию филогенетической системы прокариот не имеет.

Наиболее полно задача быстрой идентификации прокариотных организмов решается с помощью Определителя бактерий Берджи, выпускаемого периодически Обществом американских бактериологов с привлечением крупных специалистов в области изучения тех или иных групп бактерий. Составители «Краткого определителя бактерий Берджи», преследовали цель создать руководство, позволяющее быстро идентифицировать бактерии по совокупности определенных признаков.

Вдевятом издании Определителя бактерий Берджи все обнаруженные организмы, отнесенные в царство Prokaryotae , разделены на 33 группы.

Признаки, по которым осуществляется разделение на группы, как правило, относятся к категории легко определяемых и вынесены в названия групп, например:

грамотрицательные аэробные палочки и кокки (группа 4), анаэробные грамотрицательные кокки (группа 8),

грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры (группа 13), скользящие бактерии, образующие плодовые тела (группа 24).

Для девятого издания Определителя бактерий Берги характерен отказ от построения классической иерархической системы классификации. Она заменена списком групп и сохранилась только фрагментами.

Ценность Определителя в том, что он представляет собой наиболее полную сводку известных бактериальных форм и самое современное пособие для идентификации бактерий

Основная идея классификации "по Берджи" - легкость идентификации бактерий. Для осуществления этого используют совокупность признаков: морфологических

(форма тела; наличие или отсутствие жгутиков; капсулы; способность к спорообразованию; особенности внутриклеточного строения; окрашивание по Граму), культуральных (признаки, выявляемые при культивировании в лаборатории чистой культуры), физиолого-биохимические, способы получения энергии; потребности в питательных веществах; отношение к факторам внешней среды; нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК; наличие и характер минорных , оснований в ДНК; нуклеотидный состав рибосомальной РНК; последовательность аминокислот в ферментных белках с аналогичными функциями.

Вэтом же руководстве предложена схема деления царства Prokaryotae на высшие таксоны (отделы, классы).

Воснову деления на отделы положено строение клеточной стенки

По этой классификации царство прокариот в зависимости от отношения к свету разделено на 2 отдела: отдел цианобактерий (фотосинтезирующие) и отдел скотобактерий (нефотосинтезирующие). В свою очередь, отдел скотобактерий делится на 19 групп, каждая из которых делится на порядки, семейства, роды и виды в зависимости от формы, строения клеточной стенки, особенностей размножения, подвижности, способности образовывать споры, отношения к кислороду и т.д.

Например, группа 8 имеет название «Грамотрицательные факультативноанаэробные палочки». Некоторые бактерии этой группы (семейство Enterobacteriacea) являются обычными обитателями кишечника (род Escherichia), другие – возбудителями пищевых инфекций (род Shigella, род Salmonella).

В последние годы получила также признание классификация бактерий Мюррея, предложенная в 1978-1984 г. В основу этой классификации положено строение клеточной стенки.

Грам+ бактерии отнесены в отдел Firmicutes. Другой отдел – Gracilicutes – объединяет все бактерии, которые имеют клеточную стенку, характерную для Грамбактерий. Третий отдел объединяет особые формы бактерий, лишенные настоящей клеточной стенки – отдел Mycoplasma.

Классификация бактерий Мюррея.

Домен Бактерии (истинные бактерии) разделены на отделы в соответствии с типом клеточной стенки

I отдел – Gracilicutes II отдел – Firmicutes III отдел – Tenericutes

I отдел – Gracilicutes (cutes – кожа, gracilis – тонкий). Отдел включает кокки, палочковидные и нитевидные бактерии, имеющие Грам-отрицательный тип клеточной стенки; эндоспор не образуют. Все представители Грамбактерий не образуют спор и резко различаются по способности развиваться на свету и без него. Размножение в основном бинарным делением, в некоторых группах - почкованием, в одной - множественным делением. Многие подвижны с помощью жгутиков или скольжения. Аэробные, анаэробные или факультативно анаэробные формы. В пищевых производствах встречаются Грамбактерии, которые безразличны к свету. По числу представителей и значимости в природе и в жизни человека наибольший интерес из них представляют псевдомонады, энтеробактерии, уксуснокислые бактерии.

II отдел – Firmicutes (firmus – крепкий, cutes – кожа). Отдел включает кокки, палочковидные и нитевидные, иногда ветвящиеся бактерии, имеющие Грамположительный тип клеточной стенки. Есть спорообразующие и неспорообразующие формы, актиномицеты и родственные микроорганизмы. К неспорообразующим Грам+ палочкам относится род Lactobacillus Перемещаются с помощью жгутиков. Большинство неподвижны. В состав отдела входят аэробные, анаэробные, факультативно анаэробные формы. К отделу Грам+ бактерий относятся четыре группы; в основу деления на группы положена форма клеток и способность образовывать споры.. Это молочнокислые бактерии, которые используются в производстве кисломолочных продуктов, в сыроделии, при квашении овощей, в хлебопечении.

Рисунок 5. Строение клеточной стенки Грам+ и Грамбактерий

III отдел – Tenericutes (Mycoplasma) – бактерии, не имеющие жесткой клеточной стенки, не синтезируют пептидогликан муреин. Клетки окружены ЦПМ, чрезвычайно плеоморфны. Размножение бинарным делением, почкованием, фрагментацией. Окрашивание по Граму отрицательное. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Могут быть сапрофитами, паразитами или патогенами

Наиболее приемлемой филогенетической системой классификации прокариот является

система, основанная на сопоставлении последовательности нуклеотидов в 16S-рРНК.

Эта система положена в основу 2-го издания многотомной энциклопедии прокариот –

Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology (Руководство по систематике бактерий Берджи), первый том которой вышел в свет в 2001 г

В этом труде все прокариоты разделены на 26 филогенетических «ветвей»

(групп) на основании строения их 16S-рРНК;

23 «ветви» представлены эубактериями, а три – архебактериями.

Следует подчеркнуть, что большое количество этих филогенетических групп содержат виды прокариот, которые не выделены в виде чистых культур и поэтому еще детально не изучены.

Для представителей данных видов известны в настоящее время только последовательности нуклеотидов в 16S-рРНК.

Из 23 групп эубактерий две филогенетические группы представлены грамположительными бактериями, остальные группы – грамотрицательными.

Последнее издание справочника состоит из 5 томов:

Том I (2001): «The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria» Том II (2005): «The Proteobacteria» — в трёх книгах:

IIA: «Introductory essays»

IIB: «The Gammaproteobacteria»

IIC: Other classes of Proteobacteria

Том III (2009): «The Firmicutes»

Том IV (2010): «The Bacteroidetes, Spirochaetes, Tenericutes (Mollicutes), Acidobacteria, Fibrobacteres, Fusobacteria, Dictyoglomi, Gemmatimonadetes, Lentispha

erae, Verrucomicrobia, Chlamydiae, and Planctomycetes» Том V (2011): «The Actinobacteria»

Рисунок 6. Протеобактерии на филогенетическом древе живой природы

Грамотрицательные бактерии состоят из крупной группы Протеобактерий (Proteobacteria) и 20 групп остальных бактерий, имеющих данный тип клеточной стенки.

Группа Протеобактерий была выделена на основании анализа нуклеотидных последовательностей 16S рРНК, названа в честь древнегреческого бога Протея, умевшего менять форму по собственному желанию (в названии

протеобактерий отражено большое разнообразие биохимических, физиологических и морфологических свойств, присущих этой группе).

На основании различий в 16S-рРНК разделена на пять подгрупп: альфа, бета, гамма, дельта и эпсилон.

Протеобактерии – очень гетерогенная в морфологическом, физиологическом и биохимическом плане группа грамотрицательных бактерий. Для представителей этой группы характерны все типы энергетического метаболизма и питания.

Клетки большинства видов имеют палочковидную, сферическую или вибриоидную форму, размножаются в основном бинарным делением, но для некоторых видов характерно почкование и образование плодовых тел в сложном клеточном цикле.

В этой группе имеются как подвижные за счет жгутиков, так и неподвижные бактерии.

По отношению к молекулярному кислороду бывают облигатными аэробами, облигатными и факультативными анаэробами.

Таблица 1. Грамотрицательные бактерии филогенетической группы Proteobacteria

(Протеобактерии)

Alfaproteobacteria (альфа-протеобактерии)

Класс Alfaproteobacteria включает в себя 13 порядков бактерий. Они могут иметь различную форму, в том числе звездчатую и спиральную, могут образовывать стебли и почки. Альфапротеобактерии демонстрируют большое разнообразие метаболических стратегий, таких как фотосинтез, фиксация азота, окисление аммиака и метилотрофия.

В класс Альфа-протеобактерии включено многие фототрофы, симбионты эукариот (например Rhizobium и Agrobacterium), облигатные внутриклеточные паразиты

(риккетсии, Wolbachia), уксуснокислые бактерии (Acetobacter, Gluconacetobacter),

бактерии, способные к спиртовому брожению (Zymomonas mobilis), метилотрофы

(Methylobacteriaceae). Предположительный предок митохондрий и хлоропластов также происходит из этой группы.

Рисунок 7. Вольбахии (лат. Wolbachia) — род грамотрицательных плеоморфных бактерий из семейства Ehrlichiaceae класса альфа-протеобактерий, облигатные внутриклеточные симбионты членистоногих и нематод-филярий

Бета-протеобактерии (betaproteobacteria)

Бетапротеобактерии состоят из 14 отрядов бактерий. В этот класс входят аэробные и факультативно-анаэробные бактерии. Сюда входят и хемоорганогетеротрофы, и хемолитоавтотрофы (нитрификаторы I стадии Nitrosomonadaceae, например, Nitrosomonas, который является окислителем аммиака, тионовые бактерии Thiobacillus), фототрофные роды (Rhodocyclus и Rubrivivax), которые используют свет в качестве источника энергии.

Также в эту группу включены возбудители опасных инфекций Burkholderia mallei (возбудитель сапа) и Burkholderia pseudomallei (возбудитель мелиоидоза), также в эту группу входит Bordetella pertussis (возбудитель коклюша) и род Neisseria (в этот род входят возбудители менингита и гонореи). Патогены растений, такие как Ralstonia

(томаты, картофель) и Burkholderia glumae

Гамма-протеобактерии (gammaproteobacteria)

Включают группы, важные в медицинском, экологическом и научном плане.

В этот класс входят фототрофные бактерии (например, Chromatium, — пурпурные серные аноксигенные бактерии). Виды рода Chromatium способны к фотосинтезу с использованием сероводорода в качестве донора электронов, и, таким образом, участвуют в круговороте серы. метанотрофы (например, Methylococcus capsulatus).

Некоторые гамма-протеобактерии способны окислять метан, и многие из них вступают в симбиотические отношения с придонными обитателями океанических геотермальных источников

В эту группу входят такие возбудители опасных инфекций как Salmonella spp.