การจำแนกและการจัดหมวดหมู่แบคทีเรีย

การจำแนกและการจัดหมวดหมู่แบคทีเรียเป็นสาขาวิชาที่เกี่ยวข้องกับการตั้งชื่อแบคทีเรียและการจัดเรียงพวกมันให้อยู่ในระบบลำดับชั้นที่สะท้อนถึงความสัมพันธ์ของพวกมัน การจัดระบบแบคทีเรียสมัยใหม่เป็นแบบหลายเฟส (polyphasic) และเป็นแบบสายวิวัฒนาการ (phylogenetic) โดยรวมหลักฐานทางฟีโนไทป์ (phenotypic), เคมีอนุกรมวิธาน (chemotaxonomic) และจีโนม (genomic) เข้าด้วยกัน โดยมีการเปรียบเทียบ ribosomal RNA และลำดับจีโนมทั้งหมดเป็นแกนหลักของการจำแนกตามธรรมชาติ

Definition

อนุกรมวิธานของแบคทีเรียคือการจำแนกอย่างเป็นระบบ การตั้งชื่อ และการระบุแบคทีเรีย ซึ่งสิ่งมีชีวิตจะถูกจัดกลุ่มเป็นอนุกรมวิธานที่มีลำดับชั้นตามความคล้ายคลึงกันทางฟีโนไทป์ เคมีอนุกรมวิธาน และจีโนม รวมถึงความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักการที่ใช้ในการกำหนดและตั้งชื่ออนุกรมวิธานของแบคทีเรีย การเปลี่ยนจากการจำแนกตามฟีโนไทป์ไปสู่การจำแนกตามโมเลกุลและจีโนม เกณฑ์ที่ใช้ในการกำหนดชนิดพันธุ์ และลำดับชั้นมาตรฐาน (โดเมน, ไฟลัม, คลาส, อันดับ, วงศ์, สกุล, ชนิด) เป็นภาพรวมอ้างอิงว่าแบคทีเรียถูกจัดเรียงอย่างไร ไม่ใช่รายการของอนุกรมวิธาน

Core questions

• อนุกรมวิธานของแบคทีเรียถูกกำหนดและตั้งชื่อโดยอาศัยหลักฐานใดบ้าง?
• ชนิดพันธุ์ของแบคทีเรียถูกกำหนดอย่างไร และด้วยเกณฑ์จีโนมใดบ้าง?
• สายวิวัฒนาการระดับโมเลกุลเปลี่ยนแปลงการจำแนกแบคทีเรียอย่างไร?

Key concepts

• โดเมน, ไฟลัม, คลาส, อันดับ, วงศ์, สกุล, ชนิด
• อนุกรมวิธานแบบหลายเฟส (Polyphasic taxonomy)
• สายวิวัฒนาการของ 16S ribosomal RNA
• การผสมข้ามสายดีเอ็นเอ (DNA-DNA hybridization)
• ความเหมือนกันของนิวคลีโอไทด์โดยเฉลี่ย (Average nucleotide identity - ANI)
• การกำหนดชนิดพันธุ์โดยอาศัยจีโนม
• สายพันธุ์ต้นแบบ (Type strains) และการตั้งชื่อ

Key theories

การจำแนกสายวิวัฒนาการสามโดเมน

การเปรียบเทียบลำดับ ribosomal RNA แบ่งสิ่งมีชีวิตเซลล์ออกเป็นแบคทีเรีย (Bacteria), อาร์เคีย (Archaea) และยูคาริโอตา (Eucarya) และสร้างสายวิวัฒนาการระดับโมเลกุลเป็นพื้นฐานสำหรับการจำแนกแบคทีเรียตามธรรมชาติ

อนุกรมวิธานแบบหลายเฟส

อนุกรมวิธานของแบคทีเรียถูกกำหนดโดยการรวมหลักฐานอิสระหลายสาย ทั้งฟีโนไทป์ เคมีอนุกรมวิธาน และจีโนม แทนที่จะอาศัยลักษณะใดลักษณะหนึ่งเพียงอย่างเดียว

Mechanisms

การจำแนกจัดลำดับแบคทีเรียตั้งแต่โดเมนลงไปจนถึงชนิดพันธุ์ และการระบุจะจัดตำแหน่งของเชื้อที่แยกได้ที่ไม่ทราบชนิดให้อยู่ในลำดับชั้นนั้น การจำแนกในยุคแรกอาศัยฟีโนไทป์ สรีรวิทยา และเคมีอนุกรมวิธาน การเปรียบเทียบลำดับ ribosomal RNA หน่วยย่อยขนาดเล็ก (16S) ได้ให้สายวิวัฒนาการระดับโมเลกุลที่มั่นคงและจัดระเบียบอนุกรมวิธานระดับสูงขึ้นใหม่ การกำหนดชนิดพันธุ์ ซึ่งในอดีตอาศัยการผสมข้ามสายดีเอ็นเอ (DNA-DNA hybridization) และการรวมลักษณะแบบหลายเฟส ได้มาบรรจบกันที่การวัดผลตามจีโนม เช่น ความเหมือนกันของนิวคลีโอไทด์โดยเฉลี่ย (average nucleotide identity) โดยข้อมูลจีโนมทั้งหมดในปัจจุบันเป็นรากฐานของอนุกรมวิธานมาตรฐานขนาดใหญ่ ชื่อถูกควบคุมโดยกฎการตั้งชื่ออย่างเป็นทางการ โดยแต่ละชนิดพันธุ์มีสายพันธุ์ต้นแบบ (type strain) ที่กำหนดไว้เป็นหลักยึด

Clinical relevance

อนุกรมวิธานให้ชื่อและการจัดกลุ่มที่ห้องปฏิบัติการวินิจฉัยใช้ในการรายงานเชื้อแบคทีเรียที่แยกได้ และเพื่อเชื่อมโยงสิ่งมีชีวิตกับสิ่งที่ทราบเกี่ยวกับกลุ่มของมัน และวิธีการที่อิงตามจีโนมมีบทบาทมากขึ้นในการกำหนดและระบุชนิดพันธุ์ที่มีความสำคัญทางคลินิก ข้อมูลนี้อธิบายหลักการของการจำแนกเป็นข้อมูลอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

การตั้งชื่อแบคทีเรียเป็นไปตามกฎที่ตกลงกันในระดับสากลและรายงานของคณะกรรมการด้านอนุกรมวิธาน ในขณะที่แกนหลักทางสายวิวัฒนาการและเกณฑ์ของชนิดพันธุ์อาศัยวรรณกรรมหลักของการเปรียบเทียบ ribosomal RNA และจีโนมทั้งหมด ปัจจุบันฐานข้อมูลที่ได้รับการดูแลจัดการได้เผยแพร่อนุกรมวิธานมาตรฐานที่อิงตามจีโนม

History

การจำแนกแบคทีเรียเริ่มต้นด้วยฟีโนไทป์ รูปร่าง การย้อมสี และสรีรวิทยา และได้รับการประมวลผลในคู่มือระบบอนุกรมวิธานฉบับต่อๆ มา สายวิวัฒนาการระดับโมเลกุลในทศวรรษ 1970 และข้อเสนอสามโดเมนในปี 1990 ได้เปลี่ยนพื้นฐานไปสู่การเปรียบเทียบลำดับ และยุคจีโนมได้ย้ายการกำหนดชนิดพันธุ์จากการผสมข้ามสายดีเอ็นเอไปสู่การวัดผลจีโนมทั้งหมดและอนุกรมวิธานมาตรฐานที่อิงตามจีโนม

Debates

ควรนิยามชนิดพันธุ์ของแบคทีเรียอย่างไร?

แนวคิดชนิดพันธุ์เชิงปฏิบัติการได้เปลี่ยนจากการผสมข้ามสายดีเอ็นเอและเกณฑ์ฟีโนไทป์แบบหลายเฟสไปสู่เกณฑ์ที่อิงตามจีโนม เช่น ความเหมือนกันของนิวคลีโอไทด์โดยเฉลี่ย และยังคงมีการถกเถียงกันว่าฟีโนไทป์ควรมีน้ำหนักมากน้อยเพียงใด

Key figures

• Carl Woese
• Peter Vandamme
• Donovan Parks
• Philip Hugenholtz

Seminal works

• woese-1990
• wayne-1987
• goris-2007
• parks-2020

Frequently asked questions

อนุกรมวิธานแบบหลายเฟสหมายความว่าอย่างไร?

หมายความว่าอนุกรมวิธานของแบคทีเรียถูกกำหนดโดยการรวมหลักฐานอิสระหลายชนิดเข้าด้วยกัน ทั้งฟีโนไทป์ เคมีอนุกรมวิธาน และจีโนม แทนที่จะอาศัยลักษณะใดลักษณะหนึ่งเพียงอย่างเดียว

ปัจจุบันชนิดพันธุ์ของแบคทีเรียถูกนิยามอย่างไร?

การกำหนดชนิดพันธุ์ได้เปลี่ยนจากการผสมข้ามสายดีเอ็นเอไปสู่การวัดผลที่อิงตามจีโนม เช่น ความเหมือนกันของนิวคลีโอไทด์โดยเฉลี่ย โดยการเปรียบเทียบจีโนมทั้งหมดเป็นหัวใจสำคัญในการกำหนดและระบุชนิดพันธุ์ในปัจจุบัน