第一节 真核微生物的分类与系统发育

一、分类概述

1.生物分类概述

林奈（1753）将所有生物划分为动物界（Animalia）和植物界（Plantae）两界，真菌和藻类被归于植物界，原生生物被归于动物界。德国生物学家海克尔（Haeckel）1886年提出三界学说：植物界（Plantae）、动物界（Animalia）和原生生物界（Protista）。原生生物界包含单细胞的生物、一些简单多细胞动物和植物。1969年魏特克（Whittaker）提出了五界分类系统，包括原核生物界（Kingdom Procaryota）、原生生物界（Kingdom Protista，包括原生动物、单细胞藻类和黏菌）、植物界（Kingdom Plantae）、真菌界（Kingdom Fungi）和动物界（Kingdom Animalia）。随后又出现六界分类系统：在魏特克五界系统的基础上，增加病毒界。我国较长时间接受该六界系统。

随着分子生物学的发展，16（18）S rRNA基因序列被广泛用于生物系统发育分析。1990年，沃斯提出修改的三域系统，所有的真核微生物均属于真核生物域（Domain Eukarya）。Cavalier-Smith（1988—1989）提出生物八界分类系统，将原核生物分为古细菌界（Archaebacteria）和真细菌界（Eubacteria）两界；将真核生物分为古真核生物界（Archezoa）、原生动物界（Protozoa）、藻界（Chromista，又称假菌界）、植物界（Plantae）、真菌界（Fungi）和动物界（Animalia）六界。古真核生物界包括一些胞内无线粒体的严格寄生原生动物，以阴道毛滴虫（Trichomonas vaginalis）为代表性种类。后来发现该类生物基因组上具有线粒体遗传标记，表明只是在进化过程中丢失了线粒体，而不是在获得线粒体之前与其他生物趋异的原始生物。八界系统在生物“界”级水平上追求系统的自然性，减少人为性。较之过去的系统有如下变动：①将古细菌从细菌中分出，独立成界；②将比较混乱的原生生物界拆散，分别归于原生生物界、藻界和古真核生物界；③将过去真菌界中的黏菌和卵菌分别归于藻界和原生生物界。该分类系统对后来的真菌、藻类和原生动物的分类产生了较大的影响。

2005年，国际原生生物学家协会提出了一种新的真核生物分类方法，将真核生物分作六类（supergroups）。这种分类方法并没有明确这些类是生物分类学上的哪一等级，但其他文献将其当作“界”。该分类系统为：古虫界（Excavata），包括鞭毛虫等原生生物；变形虫界（Amoebozoa），包括阿米巴与黏菌等；后鞭毛生物（Opisthokonta），包括动物、真菌、领鞭毛虫类（Choanoflagellate）等；有孔虫界（Rhizaria），包括有孔虫、放射虫、某些变形虫原生生物；囊泡藻界（Chromalveolata），包括不等鞭毛门（Heterokonta）、定鞭藻门（Haptophyta）、隐藻门（Cryptophyta），囊泡虫总门（Alveolata）；泛植物界（Archaeplastida），包括陆生植物、绿藻、红藻、灰色藻。但是，这一“六界说”很快就遭到了新的研究的挑战，特别是对囊泡藻界是否有共同起源的质疑。真核生物的分类目前仍有很大的不确定性。例如，把真核生物分为单鞭毛生物（Unikonta）与双鞭毛生物（Bikonta），前者包括变形虫界与后鞭毛生物，后者包括其他四界。但是，很多研究表明单鞭毛生物与双鞭毛生物都不是同源的进化支。另外，有孔虫界应该并入囊泡藻界，泛植物界也应该不是同源的，需要被细分。现在广泛认为有孔虫和不等鞭毛类及囊泡虫类是姊妹类群，同属于一个超类群，因此有孔虫也不再视为真核生物的主要类群之一，同时单鞭毛生物及其子类群变形虫和后鞭毛生物都被视为单系群，即动物和真菌同属一个单系群——后鞭毛生物。

2.真菌分类概述

历史上，真菌分类变化较大。Whittaker（1969）提出的生物五界分类系统首次将以吸收方式获取营养的真菌从植物界中分离出来，成立真菌界，随后得到广泛的采纳和承认。在生物八界分类系统中，真菌界仅包括壶菌、接合菌、子囊菌和担子菌，即真正的真菌，而将此前真菌界所包括的卵菌、丝壶菌、网黏菌等归入藻物界，将黏菌、根肿菌、网柄黏菌和原柄黏菌等归入原生动物界。这样，Whittaker的真菌界实际上只有壶菌、接合菌、子囊菌、担子菌和半知菌类。它们在亲缘关系上被认为是一元的单系类群（monophyletic group）。我国以裘维蕃为代表的真菌学家于1990年提出菌物的概念。菌物为广义的真菌，通常包括真菌、类菌原生动物（Fungi-like protozoa，又称卵菌）和假菌（pseudofungi，又称黏菌）。

2008年出版的《菌物字典》第10版分类系统是基于近年来多基因进化关系研究结果的一个完整的新分类系统，把真菌界划分为8个门，即壶菌门（Chytridiomycota）、芽枝霉门（Blastocladiomycota）、新丽鞭毛菌门（Neocallimastigomycota）、球囊菌门（Glomeromycota）、接合菌门（Zygomycota）、子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和微孢子菌门（Microsporidia），将没有发现有性生殖的真菌归为未确定分类地位的相应分类元（早期归为半知菌亚门或半知菌类）。该字典记载真菌界有36纲、140目、560科、8283属、97861种。实际上，目前记载的真菌种类已经超过11万种。

微孢子菌门真菌为动物和单细胞生物的组织内寄生种类，产生能游动的孢子；壶菌门真菌分布于世界各地，产生不能游动的细胞，具有一根简单的鞭毛，在水栖阶段活跃地进行运动；芽枝霉门真菌存在于土壤和淡水中，多数腐生，有些物种为病原体，感染水熊虫、水蚤、线虫、多种水生以及半水生的植物，以及孑孓等生物；球囊菌门真菌孢子无鞭毛，为植物共生菌，形成泡囊丛枝菌根；接合菌门真菌不形成泡囊丛枝菌根，非植物共生菌，产生接合孢子；子囊菌门真菌产生子囊孢子；担子菌门真菌产生担孢子；新丽鞭毛菌门之前归于壶菌门内，为厌氧真菌，生存于大型草食性哺乳动物的消化系统内，亦可生存于其他的地上及水中环境里，缺乏线粒体，但含有氢化酶体，产生单一后鞭毛或多鞭毛等类型的游动孢子。

3.藻类分类概述

藻类是一大群能够进行光合作用的低等生物的总称，单细胞或简单多细胞，彼此亲缘关系可能较远，没有共同祖先，为复系群（polyphyletic group）。目前发现藻类植物有3万多种，主要分布于淡水或海水中，分为淡水藻类和海洋藻类两种，包括蓝藻门（Cyanophyta）、原绿藻门（Prochlorophyta）、裸藻门（Euglenophyta）、甲藻门（Pyrrophyta）、金藻门（Chrysophyta）、黄藻门（Xanthophyta）、硅藻门（Bacillariophyta）、绿藻门（Chlorophyta）、红藻门（Rhodophyta）和褐藻门（Phaeophyta）等，其中蓝藻门（有时被提升为蓝藻界Kingdom Cyanobacteria）和原绿藻门为原核藻类，分类上属于细菌域，原核生物界。其他为真核藻类。

单细胞藻类简称单胞藻，因藻体微小，又称微藻（microalgae），为无胚、自养、以孢子进行繁殖的低等生物。内部构造初具细胞上的分化而不具有真正的根、茎、叶。整个藻体是一个简单的含有叶绿素能进行光合作用的叶状体。藻类的生殖基本上是由单细胞的孢子或合子离开母体直接或经过短期休眠后萌发成新个体。属于单细胞藻类的主要有蓝藻门、原绿藻门、裸藻门、甲藻门、硅藻门、黄藻门、金藻门和绿藻门的部分单细胞种类。

4.原生动物分类概述

原生动物为最原始、最简单和最低等的单细胞动物，不能进行光合作用。单细胞内有特化的各种细胞器，具有维持生命和延续后代所必需的一切功能，如行动、营养、呼吸、排泄和生殖等。每个原生动物都是一个完整的有机体。原生动物的分类也是一个不断变化的过程。传统上，原生动物被归为动物界下的一个亚界或门。如1985年出版的《原生动物分类图解指导》提出原生动物亚界（Subkingdom Protozoa）下分6门：肉足鞭毛门（Phylum Sarcomastigophora）、盘蜷门（Phylum Labyrinthomaroha）、顶复体门（Phylum Apicomplexa）、微孢子门（Phylum Microspora）、腹虫门（Phylum Myxozoa）和纤毛门（Phylum Ciliophora）。Cavalier-Smith（1993）提出原生动物界，下分18门。在2005年国际原生生物学家协会提出的真核生物分类系统中，原生动物属于古虫界、变形虫界、后鞭毛生物、有孔虫界和囊泡藻界。Ruggiero等（2015）将原生动物界分为7门：眼虫门（Euglenozoa）、变形虫门（Amoebozoa）、后滴门（Metamonada）、领鞭毛虫门（Choanozoa）、槽虫门（Loukozoa）、透色门（Microsporidia）和Sulcozoa。该界没有构建完整的进化枝，而是构建了一个并系类群（paraphyletic group），特异性地排除了动物和真菌。

二、系统发育概述

1.真核生物系统发育概述

最近，在形态特征的基础上，Adl等（2012）和Burki（2014）采用rRNA基因等印迹基因序列分析和基因组学分析等技术，构建了真核生物系统发育树（图3-1）。该研究将有孔虫界（Rhizaria）、不等鞭毛门（Stramenopiles）和囊泡虫总门（Alveolata）（称为SAR亚群）聚类在一起，表明有孔虫界不是真核生物的主要类群。同时，变形虫界（Amoebozoa）和后鞭毛生物（Opisthokonta）均为单一起源，分别形成一个独立的进化枝。这些生物通常称为单鞭毛生物（unikonts）。研究表明，可能存在75个独特的真核生物世系，多数属于原生生物。已知的真核生物基因组的大小从牛巴贝虫的（Babesia bovis）的8.2Mb到腰鞭毛虫海洋原甲藻（Prorocentrum micans）的112000～220050Mb，表明真核生物祖先的基因组在进化过程中经历了大量变异。所有真核生物的最近共同祖先应该是一种具有细胞核的可吞噬的原生生物，至少有一个中心粒和一条纤毛，有兼性好氧的线粒体，可有性繁殖（减数分裂和配子融合），细胞壁内部有一个潜伏的泡囊和过氧化物酶体，细胞壁为几丁质和/或纤维素。后来发生的内共生作用引起质体（成形原体、色素体）扩散到一些世系，进一步进化为多种生物。

一些研究将Hacrobia类群（定鞭藻门+隐藻门）置于邻近泛植物界；也有研究置于泛植物界内部。然而，最近研究发现，定鞭藻门和隐球藻门不形成单一系统发育群。前者为SAR群的姊妹群，后者与泛植物界聚类在一起。直到2012年2月，还不清楚Hacrobia是否形成单系发育类群。此外，早些时候提出，真核生物分为2个主要进化枝：双鞭毛生物（泛植物界+SAR+古虫界）和单鞭毛生物（变形虫界+后鞭毛生物），分别源自双鞭毛生物祖先和单鞭毛生物祖先。2012年的一项系统发育研究也得到了类似的结果。

Cavalier-Smith（2010—2014）基于微管蛋白基因序列分析等研究，将真核生物系统发育树的根置于古虫界（具有腹面进食沟）和无进食沟的眼虫门（Euglenozoa）之间（图3-2）。

Rogozin等（2009）基于基因组水平多种保守氨基酸序列的稀有变化，构建了真核生物系统发育树，将SAR超群置于扩展的囊泡藻界内部，引起2个类群的位置不同。系统发育树的根位于泛植物界和其他真核生物之间（图3-3）。

Nozaki等（2009）分析了一些发表文献的数据，并采用hsp70-C、hsp70-E及α-微管蛋白基因和β-微管蛋白基因序列分析，构建了一个新的系统发育树，强烈建议泛植物界为多系发育（图3-4）。

2.真菌系统发育概述

由于高度变化的进化速率和缺乏紧密的系统发育外群，解决真菌的进化关系是个有挑战的工作。已经提出变形虫（Nucleariida）为真菌-后生生物趋异的紧密相近的类群，可作为真菌系统发育研究的外群。除了多个保守蛋白基因序列分析以外，采用基因组水平的数据有利于科学分析不同真菌之间的系统发育关系。Liu等（2009）采用118种核编码蛋白基因和13种线粒体编码蛋白基因序列分析数据，以变形虫为外群，构建了菌物总界（Holomycota）的系统发育树（图3-5），澄清了以前没有解决的一些真菌之间的亲缘关系。

3.藻类系统发育

多数包含叶绿体的藻类结构上类似蓝细菌。叶绿体含有类似于蓝细菌的环状DNA，可能是简化的内共生蓝细菌。然而，不同世系藻类的叶绿体的确切起源不同，反映出藻类在不同内共生时间获得蓝细菌。内共生事件的确切数量和置换目前还不清楚。图3-6为解释质体内共生起源的三种简约类型，包括蓝细菌、红藻和绿藻的内共生事件，导致提出泛植物界、囊泡藻界和Cabozoa（古虫界+有孔虫界）三个超群的假说。这些类群很多包含不再进行光合作用的成员，有些还保留质体，但已经没有叶绿体；而其他成员已经彻底丢失质体。基于质体，而不是基于核质的系谱如图3-7所示。