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福建省农业科学院芽胞杆菌研究团队研究领域包括芽胞杆菌资源学、分类学、基因组学、代谢组学、物质组学、酶学、脂肪酸绢学、发酵工艺学、生物防治应用、生物基质应用、生物肥料应用、环境修复应用、益生菌应用、生物原料应用等,将陆续出版相关著作为研究和应用服务。
内容简介
《芽胞杆菌》系列丛书是基于科学研究的专业学术著作。《芽胞杆菌第二卷:芽胞杆菌分类学》是《芽胞杆菌》丛书的第二卷《芽胞杆菌分类学》,全书共分6章。第一章阐述了微生物分类学和芽胞杆菌分类学的起源,芽胞杆菌的特征描述等。第二章阐述了芽胞杆菌分类学文献,芽胞杆菌种类命名,芽胞杆菌资源描述规范,芽胞杆菌分类学方法,芽胞杆菌新种发现与发表。第三章阐述了芽胞杆菌分类系统建立,芽胞杆菌分类系统演变,芽胞杆菌分类系统沿革等。第四章阐述了芽胞杆菌传统类群划分,芽胞杆菌经典分类学特性,芽胞杆菌分子分类学特性,芽胞杆菌脂肪酸分类学特性。第五章阐述了基于脂肪酸生物标记芽胞杆菌系统发育,基于全基因组芽胞杆菌属种类系统发育,基于物质组学芽胞杆菌属种类系统发育。第六章阐述了芽胞杆菌5科71属752种,并规范了752个芽胞杆菌的中文译名。
《芽胞杆菌第二卷:芽胞杆菌分类学》可供从事农业、工业、环境、医学、生态等领域微生物相关研究的科研人员、企业技术人员、高校教师和研究生等参考。
内页插图
目录
第一章 芽胞杆菌分类学历史
第一节 微生物分类学的起源
一、概述
二、显微镜的发明与应用
三、微生物学的发展
四、细菌的发现
五、生物分类学的发展
六、细菌分类学的起源
第二节 芽胞杆菌分类学的起源与发展
一、芽胞杆菌分类学的起源
二、芽胞杆菌分类奠基人——费迪南德·朱利叶斯·科恩
三、芽胞杆菌的特征描述
第二章 芽胞杆菌分类学方法
第一节 芽胞杆菌分类学文献
一、细菌分类学三个里程碑
二、伯杰氏鉴定细菌学手册
三、伯杰氏系统细菌学手册(第一版)
四、伯杰氏系统细菌学手册(第二版)
第二节 芽胞杆菌种类命名
一、芽胞杆菌分类学名词
二、芽胞杆菌分类学名称
三、芽胞杆菌学术命名
四、芽胞杆菌模式菌株
五、芽胞杆菌分类的相关文献
六、芽胞杆菌新种发表
七、芽胞杆菌新种发表实例
第三节 芽胞杆菌资源描述规范
一、芽胞杆菌资源描述规范术语和定义
二、芽胞杆菌菌种资源基本信息
三、芽胞杆菌菌种特征描述信息
第四节 芽胞杆菌分类学方法
一、芽胞杆菌传统分类学方法
二、芽胞杆菌现代分类学方法
第五节 芽胞杆菌新种发现与发表
一、国际芽胞杆菌新种的发现
二、我国芽胞杆菌新种的发现
第三章 芽胞杆菌分类系统演化
第一节 芽胞杆菌分类系统建立
一、芽胞杆菌属分类系统的研究
二、芽胞杆菌近缘属分类系统的研究
三、非芽胞杆菌科分类系统的研究
第二节 芽胞杆菌类群的划分
一、基于表型的芽胞杆菌类群划分
二、基于16S rRNA序列分类的芽胞杆菌类群划分
第三节 芽胞杆菌近缘属的分化
一、芽胞杆菌近缘属分化依据
二、芽胞杆菌属分化结果
第四节 芽胞杆菌分类系统演变
一、原核生物系统发育对芽胞杆菌属分类系统演替的影响
二、芽胞杆菌系统发育的演替与进化
三、芽胞杆菌分类与鉴定思路
第五节 芽胞杆菌分类系统沿革
一、厚壁菌门分类系统沿革
二、芽胞杆菌纲分类系统沿革
三、芽胞杆菌目分类系统沿革
四、《伯杰氏系统细菌学手册》芽胞杆菌相关属变动
五、芽胞杆菌种属分类地位变动
第四章 芽胞杆菌分类学特性
第一节 芽胞杆菌表型分类学特性
一、芽胞杆菌经典分类学方法
二、芽胞杆菌表型形态观察实例
三、芽胞杆菌生理生化特性的聚类分析
四、讨论
第二节 芽胞杆菌分子分类学特性
一、芽胞杆菌的分子分类
二、芽胞杆菌分子分类学研究方法
三、芽胞杆菌的16SrRNA聚类分析
四、讨论
第三节 芽胞杆菌脂肪酸分类学特性
一、芽胞杆菌脂肪酸特性
二、芽胞杆菌脂肪酸分类学研究方法
三、芽胞杆菌种类主要脂肪酸组成
四、芽胞杆菌脂肪酸特性分析
五、讨论
第五章 芽胞杆菌的系统发育
第六章 芽胞杆菌近缘属种类描述
参考文献
索引
前言/序言
1872年,德国微生物学家科恩(Cohn)命名了芽胞杆菌属(Bacillus),将枯草芽胞杆菌(Bacillussubtilis)作为芽胞杆菌属的模式种。芽胞杆菌的芽胞是休眠体,不是繁殖体,所以芽胞杆菌采用“胞”字而不是用“孢”字。绝大多数是一个菌体细胞仅形成一个芽胞位于菌体细胞内,由核心(core)、皮层(cortex)、芽胞衣(sporecoat)和外壁(exosporium)组成。核心又称为芽胞的原生质体,内含DNA、RNA、保护DNA的酸溶性小分子芽胞蛋白,以及合成蛋白质和产生能量的系统。此外,还有大量的吡啶二羧酸(DPA)布满整个芽胞,占芽胞干重的10%N15%,但一般不存在于不形成芽胞的细菌细胞。DPA在芽胞中以钙盐的形态存在于内层的细胞膜和外层芽胞衣间的皮层中。皮层处于核心和芽胞衣之间,含有丰富的肽聚糖。芽胞衣主要由蛋白质组成,此外,还有少量的碳水化合物和类脂,可能还有大量的磷。最外层是外壁,其主要成分是蛋白质、一定量的葡萄糖和类脂。由于芽胞具有厚而含水量低的多层结构,因此折光性强、对染料不易着色。芽胞对热、干燥、辐射、化学消毒剂和其他理化因素有较强的抵抗力,这可能与芽胞独具的高含量毗啶二羧酸有关。
芽胞杆菌对外界有害因子抵抗力强,广泛分布于土壤、水、空气、动物肠道、植物体内等处。芽胞杆菌的特性包括:①繁殖快速,代谢快、繁殖快,4h增殖10万倍;②生命力强,无湿状态可耐低温-60℃、耐高温280℃,耐强酸、耐强碱、耐高压、耐高盐、耐高氧(嗜氧繁殖)、耐低氧(厌氧繁殖);③菌体积大,体积比一般病原菌细胞大4倍,占据空间优势,抑制有害菌的生长繁殖。
芽胞杆菌与人类关系密切,如炭疽芽胞杆菌引起人、畜的炭疽病;蜡样芽胞杆菌引起食物中毒。对人有利的芽胞杆菌有枯草芽胞杆菌,产生工业或医疗用的蛋白酶、淀粉酶;多黏类芽胞杆菌生产多黏菌素;地衣芽胞杆菌生产杆菌肽;著名的细菌杀虫剂——苏云金芽胞杆菌能杀死100多种鳞翅目的农林害虫,现已扩大到杀蚊、蝇幼虫;日本甲虫芽胞杆菌、幼虫芽胞杆菌和缓病芽胞杆菌可用于防治蛴螬等地下害虫。芽胞杆菌分解有机物能力强,在自然界的元素循环中起重要作用。有些种如多黏类芽胞杆菌有固氮的能力。
芽胞杆菌的突出功能包括:①保湿性强,形成强度极为优良的天然材料聚谷氨酸,为土壤的保护膜,防止肥分及水分流失;②分解力强,增殖的同时,会释放出高活性的分解酶,将难分解的大分子物质分解成可利用的小分子物质;⑧代谢物丰富,合成多种有机酸、酶、生理活性物质等,以及其他多种容易被利用的养分;④抑菌能力强,具有占据空间优势,抑制有害菌、病原菌等有害微生物生长繁殖的作用;⑤除臭能力强,可以分解产生恶臭气体的有机物质、有机硫化物、有机氮等,大大改善场所的环境。
芽胞杆菌由于产生芽胞具有较强的抵抗外界环境压力的能力,能够抵抗其生存环境中干燥、高热、高盐、高碱、高酸、高紫外线辐射所造成的伤害,便于工业化生产,被广泛应用于生物农药、生物肥料、生物保鲜、生物降污、益生菌、酶制剂、生化物质等产品的生产。可应用于:①生物肥料制作,用于发酵有机肥、农家肥、复合肥和化肥添加,多黏类芽胞杆菌具有固氮的能力等;②生物农药生产,如苏云金芽胞杆菌用于防治鳞翅目害虫等;③土壤污染修复剂生产,降解土壤有机废弃物、钝化土壤重金属、降解土壤农药和化肥残留等;④生物保鲜剂生产,利用短短芽胞杆菌制作龙眼果实保鲜剂等;⑤城市垃圾处理,利用芽胞杆菌降解居家垃圾、处理厨余垃圾、净化城市污水等;⑥饲用益生菌生产,制作动物饲料添加剂、水产环境水质净化剂等,如枯草芽胞杆菌可用于畜牧水产饲料添加剂,地衣芽胞杆菌用于水产水环境净化等;⑦生化物质生产,芽胞杆菌可用于酶类如脂肪酶、蛋白酶、植酸酶等生产,用于氨基酸、丁二醇、抗生素等生产。芽胞杆菌各属拥有各自的生物学特性,通过基因选育等生物工程学,可以将自然界的菌种人工选育出特定功能强势的菌种,应用于工农业生产各个方面。在抗生素污染问题越来越严重的今天,有益的芽胞杆菌的应用研究,可能是解决抗生素问题的一个有效方案。
现代微生物学研究前沿:革兰氏阴性杆菌的系统发育与功能多样性 本书聚焦于革兰氏阴性杆菌领域,深入探讨了该庞大且关键的微生物类群在系统分类学、基因组学、生理生化特性及其生态学意义上的最新研究进展。 第一部分:革兰氏阴性细菌的系统发育重构与分类学挑战 革兰氏阴性细菌是地球上生物量最大、代谢途径最多样化的微生物群体之一,涵盖了从固氮菌到病原体的各种功能角色。本书的开篇部分,将详尽梳理近年来基于多基因组序列分析(Multi-Locus Sequence Analysis, MLSA)和全基因组测序(Whole Genome Sequencing, WGS)的系统发育学研究,旨在为这一类群提供一个更加精细和可靠的分类框架。 1.1 经典分类与分子生物学的融合: 我们首先回顾了基于传统表型特征(如革兰氏染色、形态学、培养特性)建立的早期分类体系的局限性。随后,重点阐述了核糖体RNA(rRNA)序列分析如何奠定了现代细菌系统发育学的基础,并指出在革兰氏阴性菌中,如变形菌门(Proteobacteria)内部的深度分支和快速演化带来的分类学难题。 1.2 变形菌门的深入解析: 变形菌门是革兰氏阴性菌中研究最为深入但分类挑战最大的门。本书将投入大量篇幅解析其内部主要纲的系统关系,特别是α、β、γ、δ和ε变形菌纲。我们将详细讨论: γ-变形菌纲的谱系复杂性: 以肠杆菌目(Enterobacterales)为例,探讨如何利用新的生物信息学工具区分高度同源的属和种,特别是对埃希氏菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)和志贺氏菌属(Shigella)的近期分化事件的分子证据。 固氮微生物的生态位和演化: 关注根瘤菌科(Rhizobiaceae)和蓝藻细菌亚群的共生和非共生固氮菌的系统位置,探讨其代谢基因岛的水平基因转移(Horizontal Gene Transfer, HGT)模式。 1.3 细菌界(Bacteroidetes)和鞘脂单胞菌界(Spirochaetes)的再评估: 这两个重要的革兰氏阴性菌群,因其独特的生理特性和在环境中的重要作用,需要专门的分类学关注。我们将介绍针对拟杆菌属(Bacteroides)和类杆菌属(Porphyromonas)的基于核心基因组的物种定义方法,并讨论螺旋体(Spirochetes)的移动生活方式与其基因组极度简并之间的关系。 第二部分:基因组学驱动的功能多样性探索 理解革兰氏阴性菌的生态适应性,必须深入分析其基因组的结构、组成和动态变化。本部分着重于基因组学数据如何揭示这些微生物的代谢潜力、抗性机制和致病性。 2.1 核心基因组与泛基因组分析: 本书详细介绍了革兰氏阴性菌群(如假单胞菌属 Pseudomonas 和弧菌属 Vibrio)的泛基因组(Pan-Genome)研究方法。通过对比不同菌株的基因集,我们量化了“核心基因组”(Core Genome)——代表物种共享特征的基因组部分,以及“附属基因组”(Accessory Genome)——驱动生态适应性和特异功能(如次级代谢产物合成、特定营养源利用)的基因集合。 2.2 抗生素耐药性的基因组学追踪: 革兰氏阴性菌,特别是多重耐药菌(MDR),是全球公共卫生的巨大威胁。本章分析了耐药基因(Antibiotic Resistance Genes, ARGs)在环境、临床和动物来源菌株中的分布和传播机制。重点讨论了耐药性通过移动遗传元件(如整合子、质粒)在不同属间的水平转移网络。 2.3 胞内共生体的基因组进化: 线粒体和叶绿体的前身是革兰氏阴性细菌,而现代微生物界中仍存在功能性的胞内共生体(如某些鞘翅目昆虫体内的Buchnera)。本书探究了这些共生关系如何导致基因组的极端简化(genome reduction),以及它们如何维持与宿主之间不可逆转的代谢依赖关系。 第三部分:生态适应性与生理生化机制 革兰氏阴性菌在各种极端环境中展现出非凡的适应能力。本部分结合生理学和代谢工程的视角,审视其关键的生物过程。 3.1 外膜的构建与功能调控: 革兰氏阴性菌特有的双层膜结构,特别是外膜(Outer Membrane),是其生存的关键。我们将详细介绍脂多糖(LPS)的生物合成途径,以及在不同压力(如渗透压、pH、抗菌肽攻击)下,外膜蛋白(OMPs)和分泌系统(如III型、IV型分泌系统)的动态调控机制。 3.2 能源代谢与生物地球化学循环: 本书探讨了革兰氏阴性菌在关键生物地球化学循环中的作用,例如: 氮循环: 厌氧氨氧化(Anammox)细菌的生理特征及其在海洋氮平衡中的贡献。 硫循环: 硫氧化菌(Thiotrophs)如何利用硫化合物作为能源,以及它们在深海热液喷口生态系统中的关键地位。 3.3 独特的信号转导与群体感应(Quorum Sensing): 群体感应是革兰氏阴性菌协调群体行为(如生物膜形成、毒力因子表达)的核心机制。我们将对比不同属(如假单胞菌、哈维氏菌)使用的N-酰基高丝氨酸内酯(AHL)依赖或非依赖的信号分子系统,以及这些系统如何整合环境信号来优化群体适应性。 结论: 本书汇集了分子生物学、生物信息学和环境微生物学的前沿成果,为读者提供了一个关于革兰氏阴性杆菌多样性和复杂性的全面、批判性的视角,强调了利用高通量技术解析这些关键微生物在环境修复、生物技术和人类健康领域中潜力的重要性。