樸君 張璐婕, 樸敬愛, 周益軍 李碩
(1. 遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,大連 116081;2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,南京 210014)
灰飛虱(Laodelphax striatellusFallén)屬半翅目(Hemiptera)飛虱科(Delphacidae)昆蟲,主要在東亞、東南亞、歐洲等地發(fā)生,其生長期短、暴發(fā)性高,具備較強(qiáng)的耐饑和耐低溫能力,是一種嚴(yán)重危害糧食作物的農(nóng)業(yè)害蟲[1]。灰飛虱在我國南方地區(qū)一般每年發(fā)生5-6世代,但種群密度相對較低,其寄主范圍十分廣泛,可取食水稻、小麥、大麥、玉米、看麥娘、稗草等禾本科植物[2]。21世紀(jì)初以來,灰飛虱在我國黃淮和長江三角洲地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重,其傳播水稻條紋病毒(rice stripe virus,RSV)引起的水稻條紋葉枯病在江蘇、浙江、安徽、河南等地大面積爆發(fā),重癥田塊發(fā)病率50%以上,對我國水稻生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失[3]。此外,灰飛虱還可傳播水稻黑條矮縮病毒(rice black streaked dwarf virus,RBSDV)和小麥叢矮病毒(wheat rosette stunt virus),引起水稻黑條矮縮病、玉米粗縮病和小麥叢矮?。?-5]。因此,有效控制灰飛虱的再次暴發(fā)以及降低其擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)對于保障糧食安全生產(chǎn)具有重要意義。
病毒與昆蟲在長期進(jìn)化過程中形成了復(fù)雜多樣的關(guān)系。灰飛虱傳播的多種植物病毒(如RSV和RBSDV)都可以在其體內(nèi)增殖,因此,這些病毒既是植物病毒,又屬于昆蟲病毒。昆蟲病毒作為天然的生物殺蟲劑,具有對人畜環(huán)境安全無害、在環(huán)境中滯留時(shí)間短、毒力強(qiáng)以及能引起害蟲種群流行病而長期控制其密度等優(yōu)點(diǎn)[6],應(yīng)用昆蟲病毒殺蟲劑防治農(nóng)業(yè)害蟲已成為目前生物防治的一個(gè)理想途徑。德國早在19世紀(jì)末就已開展利用昆蟲病毒防治害蟲的研究,并利用昆蟲核型多角體病毒防治模毒蛾[7]。1973年聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)將昆蟲桿狀病毒作為防治農(nóng)作物害蟲的生物殺蟲劑。我國也在同年開展關(guān)于昆蟲病毒防治的研究工作,當(dāng)時(shí)應(yīng)用較廣泛的病毒是松毛蟲CPV病毒和棉鈴蟲NPV病毒[8],其防治效果顯著高于化學(xué)農(nóng)藥,且在環(huán)境中不造成大面積有毒化學(xué)物質(zhì)殘留,有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展,維持生態(tài)平衡。目前,已鑒定出涵蓋15個(gè)科的600多種昆蟲致病性病毒[9]。之前研究人員在灰飛虱體內(nèi)鑒定出多種昆蟲病毒,如Himetobi P virus(HiPV)、Laodelphax striatellusiflavirus 1(LsIV1)等[10-12],這暗示灰飛虱體內(nèi)有較多昆蟲病毒種類。鑒定灰飛虱體內(nèi)病毒種類,不僅可以豐富我國昆蟲病毒資源庫,同時(shí)也為利用昆蟲病毒進(jìn)行生物防治灰飛虱打下良好的基礎(chǔ),對灰飛虱的綜合防治具有參考價(jià)值。
常規(guī)的病毒檢測方法主要有核酸檢測法、酶聯(lián)免疫法、電鏡法以及近年發(fā)展起來的高通量測序技術(shù),但只有高通量測序能滿足對新病毒的鑒定和檢測。高通量測序技術(shù)主要通過宏基因組測序、宏轉(zhuǎn)錄組測序、小RNA深度測序3種方法來鑒定病毒,具有檢測成本較低、無序列依賴性等優(yōu)點(diǎn)[13],還可檢測到生物體內(nèi)大部分含量較低的病毒基因[14]。昆蟲具有天然的RNAi抗病毒機(jī)制[15-16],當(dāng)外來的病毒在其體內(nèi)復(fù)制時(shí),會激活該機(jī)制產(chǎn)生針對入侵病毒靶RNA的siRNA,并結(jié)合和降解病毒RNA。siRNA通常只有18-30 nt,可輕易與細(xì)胞中的mRNA、tRNA和rRNA區(qū)分開,因此使用小RNA深度測序技術(shù)分析昆蟲體內(nèi)siRNA,進(jìn)而鑒定病毒種類成為一種簡便可行的方法。本研究利用小RNA深度測序技術(shù)對灰飛虱體內(nèi)昆蟲病毒資源進(jìn)行分析鑒定,為今后利用昆蟲病毒進(jìn)行生物防治灰飛虱奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 昆蟲種群 供試?yán)ハx灰飛虱種群采集自江蘇省海安縣,由江蘇省農(nóng)科院植保所植物病毒研究室經(jīng)多代篩選獲得RSV高帶毒種群(帶毒率90%以上)和無毒(RSV)種群,兩個(gè)種群在實(shí)驗(yàn)室常年維持?;绎w虱種群參照劉海建等[17]的方法篩選獲得。
1.1.2 主要試劑 Trizol試劑購自Invitrogen公司;Small RNA Sample Pre Kit購自Illumina公司;PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit、高保真DNA聚合酶和pMD18-T克隆載體購自TaKaRa公司;大腸桿菌DH5α菌株由本實(shí)驗(yàn)室保存;其余試劑為國產(chǎn)分析純。
1.2.1 灰飛虱總RNA的提取 灰飛虱RSV高帶毒和無毒種群中各取4-5齡若蟲100頭,樣品混合后液氮研磨,用Trizol試劑提取總RNA(參照Trizol試劑說明書進(jìn)行)。取少量RNA用NanoDrop 2000微量紫外分光光度計(jì)測定濃度和純度(OD268/280比值),1%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA質(zhì)量和完整性。
1.2.2 文庫構(gòu)建和測序 RNA檢測合格后,使用Small RNA Sample Pre Kit構(gòu)建文庫。利用小RNA的5′端和3′端特殊結(jié)構(gòu)(5′端有完整磷酸基團(tuán),3′端有羥基),以總RNA為起始樣品,直接將小RNA兩端加上接頭,然后反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。隨后經(jīng)PCR擴(kuò)增、PAGE膠電泳分離目標(biāo)DNA片段,切膠回收即得到cDNA文庫。庫檢合格后,在Illumina HiSeq 2000測序平臺進(jìn)行高通量測序,委托測序公司完成。
1.2.3 樣本病毒分析 測序獲得的原始數(shù)據(jù)序列(raw reads)中,去除不合格reads(低質(zhì)量、N比例大于10%、5′接頭污染、無3′接頭序列和插入片段、含有polyA/T/G/C),得到高質(zhì)量clean reads,篩選其中長度為18-26 bp的sRNA進(jìn)行后續(xù)分析。用bowtie將過濾后的sRNA與GenBank Virus RefSeq核酸數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(允許1 mismatch),對樣品中的病毒種類進(jìn)行初步鑒定。使用velvet[18-19]和PFOR[20]軟件對sRNA進(jìn)行短序列拼接,獲得contigs。Velvet軟件拼接的K-mer參數(shù)為17,PFOR軟件拼接的參數(shù)為“-x 5”。將拼接所得contigs進(jìn)行分類注釋,使用數(shù)據(jù)庫為:NCBI Nr(NCBI nonredundant protein sequences)、NCBI Nt(NCBI nonredundant nucleotide sequences)、GenBank Virus Ref-Seq Nucletide和GenBank Virus RefSeq Protein數(shù)據(jù)庫。比對采用Blast算法,參數(shù)限制e-value(Blastn:1E-6,BlastX:1E-4),得到候選病毒列表。將用bowtie初步鑒定的病毒種類與候選病毒列表比較,評估候選病毒的有效性,鑒定出灰飛虱病毒種類。
1.2.4 新病毒的RT-PCR檢測和序列分析 根據(jù)測序分析結(jié)果,在灰飛虱體內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種與類復(fù)制酶置換四體病毒存在較高同源性的病毒,這類病毒尚未在半翅目昆蟲中報(bào)道,故對該病毒進(jìn)行基因檢測。根據(jù)匹配的contigs序列,設(shè)計(jì)2對特異性引物,Plv1-F:5′-ACAACGACAATGGACGCAAGCAACCC-3′,Plv1-R:5′-TGATCCGTCCATCTGTTTGAAATCTGG-3′,Plv2-F:5′-CCCAGATTTCAAACAGATGGAC GG-3′,Plv2-R:5′-GTAGAGGGCCAGGCAGAACTCC-3′。用Trizol試劑提取灰飛虱總RNA,利用PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit和Random 6 mers引物反轉(zhuǎn)錄為第一鏈cDNA后,進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng)。PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳分析,回收目的基因片段與pMD18-T載體連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞,挑取陽性單菌落測序。引物合成和測序由生工生物工程(上海)公司完成。
測序完成后根據(jù)引物去除兩端冗余序列,獲得病毒基因片段信息。序列同源性分析和多重比對使用NCBI的BLAST程序(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/Blast.cgi)和DNAstar軟件的MegAlign程序完成。聚類分析及進(jìn)化樹構(gòu)建利用MEGA-X軟件[21]采用鄰接法[22](neighbor-joining)完成,核酸序列選擇Kimura-2 參數(shù)(Kimura 2-parameter)模型,氨基酸序列選擇泊松修正(Poisson Correction)模型,進(jìn)化樹的可信度使用1 000次Bootstrap Replications進(jìn)行驗(yàn)證。
灰飛虱小RNA深度測序后得到16 551 978條原始序列,經(jīng)質(zhì)控后獲得16 316 588條高質(zhì)量clean reads,其中長度為18-26 bp的sRNA為15 342 565條(94.03%)。sRNA總長度380 355 818 bp,拼接后共獲得13 816條contigs,分類注釋后共得到病毒序列296條,與13種病毒序列一致或具有較高同源性(表1)。sRNA經(jīng)bowtie比對GenBank Virus RefSeq核酸數(shù)據(jù)庫,有35 134條reads可匹配的病毒序列,所屬病毒種類涵蓋上述13種病毒,驗(yàn)證了這些病毒種類的有效性。
鑒定的13種病毒分別屬于8個(gè)病毒科和2種未分類RNA病毒(表1)。由于測序所用昆蟲種群攜帶RSV,因此在獲得的全部病毒contigs中,匹配RSV的contigs占絕對數(shù)量優(yōu)勢(78.04%),該病毒屬于白纖病毒科纖細(xì)病毒屬,既是植物病毒,也是昆蟲病毒。其余7個(gè)病毒科均是專性寄生昆蟲的病毒科,與昆蟲RNA病毒相關(guān)的科2個(gè),傳染性軟腐病病毒科和雙順反子病毒科,有3種病毒Laodelphax striatellushoneydew virus 1、LsIV1和HiPV,此前均已在灰飛虱體內(nèi)發(fā)現(xiàn)并報(bào)道。鑒定的5個(gè)屬于昆蟲DNA病毒的科分別為濃核癥病毒亞科、昆蟲痘病毒亞科、虹彩病毒科、多分體DNA病毒科和桿狀病毒科,除虹彩病毒已在灰飛虱體內(nèi)發(fā)現(xiàn)外,其余尚未在灰飛虱體內(nèi)報(bào)道,但濃核癥病毒已在半翅目的蚜蟲和木虱體內(nèi)報(bào)道,桿狀病毒已在與灰飛虱親緣性最近的昆蟲褐飛虱體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。2種分類地位暫不明確的正鏈RNA病毒中,一個(gè)與Nilaparvata lugenscommensal X virus同源,在褐飛虱體內(nèi)發(fā)現(xiàn),推測為一種衛(wèi)星病毒[23]。另一個(gè)與果蠅A病毒(Drosophila A virus,DAV)存在較高相似性,DAV是一種存在于果蠅體內(nèi)特殊的類復(fù)制酶置換四體病毒[24],目前研究較少,故認(rèn)為在灰飛虱體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種新病毒。
表1 灰飛虱中經(jīng)測序比對鑒定的病毒Table 1 Identified viruses in Laodelphax striatellus via alignment
為了獲取新病毒的基因序列,根據(jù)其與DAV匹配的contigs序列設(shè)計(jì)引物,以灰飛虱總RNA為模板,經(jīng)RT-PCR擴(kuò)增出2個(gè)符合目的基因大小的特異條帶(圖1)。經(jīng)克隆測序表明,所擴(kuò)增2個(gè)片段長度分別為1 167和803 bp,2個(gè)片段拼接得到長度為1 932 bp的序列。經(jīng)Blastn比對,其核苷酸序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中沒有發(fā)現(xiàn)有意義的匹配。BlastX比對發(fā)現(xiàn),與其氨基酸序列相似性最高的主要為下列病毒依賴RNA的RNA聚合酶(RNA-dependant RNA polymerase,RdRP):Smithfield permutotetra-like virus(GenBank登錄號:QIJ25871.1)1-642位(56.68%)、一株野田村病毒科病毒(A Nodaviridae virus)(QIJ25871.1)1-644位(56.90%)、Culex Daeseongdong-like virus(AXQ04818.1)1-642位(56.59%)、DAV(AKH67411.1)1-645位(53.70%)、Vespa velutina associated permutotetra-like virus 2(QGL51736.1)1-645位(52.47%) 以 及Hubei permutotetra-like virus 11(YP_009337276.1)1-642位(51.08%)。這些RNA病毒的分類地位暫不明確,但它們有一個(gè)共同特點(diǎn),即在復(fù)制酶RdRP的掌型亞結(jié)構(gòu)域(Palm subdomain)中,保守區(qū)域的排列發(fā)生了置換,GDD box(C motif)位于A和B motif之前,呈“C-A-B”樣式排列,這一特點(diǎn)與復(fù)制酶置換四體病毒科(Permutotetraviridae)病毒的RdRP相同。將這些病毒進(jìn)行氨基酸序列比對,在新病毒RdRP序列中也發(fā)現(xiàn)了保守的A、B和C motif,并且C motif同樣發(fā)生了置換,位于A motif上游(圖2),說明其RdRP掌型亞結(jié)構(gòu)域保守區(qū)同樣呈“C-A-B”樣式排列。這些結(jié)果暗示擴(kuò)增的病毒基因片段確實(shí)來源于一種新的類復(fù)制酶置換四體病毒,將其暫命名為Laodelphax striatelluspermutotetra-like virus(LsPLV),這是首次在半翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)類復(fù)制酶置換四體病毒。
圖1 LsPLV RdRP基因片段的擴(kuò)增Fig.1 PCR amplification of RdRP gene segment
圖2 類復(fù)制酶置換四體病毒RdRP氨基酸序列比對顯示“C-A-B”motif的排列Fig.2 Amino acid alignment of permutotetra-like virus RdRP showing C-A-B motif arrangement
從上述NCBI數(shù)據(jù)庫BlastX比對結(jié)果中,選取15個(gè)代表性病毒分離物,利用MEGA-X軟件將LsPLV與這15個(gè)病毒RdRP序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析。結(jié)果顯示,核酸和氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹相似,這些病毒的RdRP可聚類到2個(gè)大的分支中(圖3),但均沒有病毒分離物與LsPLV構(gòu)成最小分支,說明LsPLV與已報(bào)道的類復(fù)制酶置換四體病毒存在較大的進(jìn)化差異,其核苷酸序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中匹配不到有意義的結(jié)果也說明了這一點(diǎn)。在病毒聚類的2大分支中,分離物采集地沒有明顯的地域界限,由于很多分離物的寄主信息不完善,僅顯示“節(jié)肢動物”、“昆蟲”等信息,因此,也很難區(qū)分出這些分離物的寄主界限,但可以初步說明這類病毒在昆蟲中是廣泛存在的,不同寄主來源的病毒之間基因差異較大。最后,已知自然條件下類復(fù)制酶置換四體病毒僅侵染無脊椎動物,但16個(gè)分離物中,有2個(gè)病毒并不是在昆蟲體內(nèi)發(fā)現(xiàn),而是利用高通量測序從鳥類(A Nodaviridae virus)和植物紫花地丁(VpPLV)中檢測到。
病毒幾乎可以感染所有的生命體,是全世界種類十分龐大的微生物,也是引起人類和動植物疾病的主要病原體類型之一。一般來說,有兩大類病毒與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān),一類是引起動植物病害的病毒,一類是作為生物防治資源的病毒。昆蟲病毒是一類理想的生物防治資源,利用昆蟲病毒研制的病毒殺蟲劑具有致病力強(qiáng)、專一性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)和生產(chǎn)簡便等優(yōu)點(diǎn)[6],發(fā)展前景十分廣闊。目前研究較多、應(yīng)用較廣的昆蟲病毒主要是核型多角體病毒(NPV)、顆粒體病毒(GV)和質(zhì)型多角體病毒(CPV)等[25],這些病毒主要靶向鱗翅目害蟲,而防治半翅目害蟲的昆蟲病毒在生產(chǎn)上尚不多見?;绎w虱是半翅目中重要的病毒媒介昆蟲,鑒定灰飛虱體內(nèi)昆蟲病毒種類,對于挖掘昆蟲病毒資源以及今后的生防研究和應(yīng)用具有重要意義。
利用傳統(tǒng)測序技術(shù)鑒定病毒可能會漏檢含量較低的病毒,與之相比,高通量測序技術(shù)可避免這一缺陷,提高病毒種類篩查的效率和全面性。近年來,隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展,依靠該技術(shù)報(bào)道出來的病毒種類越來越多,試劑成本越來越低,應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,該技術(shù)已成為一個(gè)方便快捷的研究工具[13-14],它極大地縮短了分析工作所花費(fèi)的時(shí)間。本文圖3系統(tǒng)進(jìn)化分析所涉及的16個(gè)病毒分離物中,除Thosea asigna virus(TaV)[26]、Euprosterna elaeasa virus(EeV)[27]和DAV[24]是通過傳統(tǒng)測序方法獲得,其余均是2015年之后通過高通量測序技術(shù)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的,便是該技術(shù)推動病毒鑒定研究的直觀體現(xiàn)。
圖3 根據(jù)不同類復(fù)制酶置換四體病毒RdRP序列構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.3 Phylogenetic tree based on RdRP sequence consistency of different permutotetra-like viruses
本研究對灰飛虱攜帶的病毒種類進(jìn)行了全面分析,通過小RNA深度測序檢測灰飛虱RNAi免疫機(jī)制產(chǎn)生的siRNA,再根據(jù)小RNA之間存在重疊序列這一特點(diǎn),將其組裝成較長的contigs,通過數(shù)據(jù)庫比對鑒定病毒種類,最終從灰飛虱中鑒定出13種病毒,涉及8個(gè)病毒科和2種未分類病毒。由于測序所用昆蟲種群攜帶RSV,因此匹配RSV的contigs在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢。其余病毒均為專性寄生的昆蟲病毒,其中,3種RNA病毒和1種DNA病毒(虹彩病毒)已在灰飛虱體內(nèi)報(bào)道[10-12,28],5種病毒已在半翅目的褐飛虱、蚜蟲、木虱等昆蟲體內(nèi)發(fā)現(xiàn)[29-31],只有昆蟲痘病毒、繭蜂病毒(多分體DNA病毒科)和一個(gè)類似DAV的病毒尚未在灰飛虱以及其它半翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)。本研究所用灰飛虱來自實(shí)驗(yàn)室常年飼養(yǎng)種群,灰飛虱不同地理種群所攜帶的昆蟲病毒種類也不盡相同[32],因此,本次鑒定的病毒種類是少于自然界中實(shí)際可侵染灰飛虱的病毒種類,更多的病毒種類仍需今后進(jìn)一步挖掘。在鑒定的病毒中,很多DNA病毒的相似分離物已經(jīng)被用于農(nóng)業(yè)害蟲生物防治研究和應(yīng)用,而RNA病毒相關(guān)生物防治研究還較少,這些病毒的發(fā)現(xiàn)為今后生防研究和應(yīng)用提供了候選病毒資源。
對灰飛虱中類似DAV的病毒進(jìn)行基因檢測,獲得了RdRP基因1-1 932位核酸序列,經(jīng)Blast比對和系統(tǒng)進(jìn)化分析,在氨基酸序列中發(fā)現(xiàn)RdRP掌型亞結(jié)構(gòu)域保守區(qū)呈現(xiàn)復(fù)制酶置換四體病毒科病毒所具有的“C-A-B”排列樣式[26-27],確定該病毒是一種新的類復(fù)制酶置換四體病毒,暫命名為LsPLV。系統(tǒng)進(jìn)化分析顯示,類復(fù)制酶置換四體病毒在昆蟲中廣泛存在,不同寄主來源的病毒之間基因差異較大。與LsPLV同源性較高的病毒分離物中,有2個(gè)病毒并不是在昆蟲體內(nèi)檢測到,而是在鳥類和植物樣品中發(fā)現(xiàn)。根據(jù)已知信息,自然條件下這類病毒僅侵染無脊椎動物,因此,我們認(rèn)為這2個(gè)病毒來自測序樣本的“環(huán)境污染”,一個(gè)可能來自鳥消化道中尚未消化的昆蟲體內(nèi)的病毒殘留,另一個(gè)可能來自植物葉片表面上昆蟲排泄物中病毒殘留。這一現(xiàn)象也說明自然界中這類病毒在昆蟲體內(nèi)廣泛存在,同時(shí)也暗示這類病毒粒子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定、不易降解,能在自然環(huán)境下存活一定時(shí)間,較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性使得該病毒具備進(jìn)一步開發(fā)為昆蟲病毒殺蟲劑的一個(gè)潛在優(yōu)勢。
本研究首次在半翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)類復(fù)制酶置換四體病毒。目前,LsPLV的全基因組測序正在進(jìn)行中,其對灰飛虱的致病性還不明確,該病毒是否可侵染其他稻飛虱(褐飛虱、白背飛虱)及其它半翅目昆蟲也不清楚,這些問題都將在今后的工作中進(jìn)一步研究,為LsPLV在生物防治中的早日應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
本文利用小RNA深度測序技術(shù)在灰飛虱體內(nèi)鑒定了13種病毒,涉及8個(gè)病毒科和2種未分類病毒,并首次在半翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)一種新的類復(fù)制酶置換四體病毒LsPLV。