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中国蓝舌病病毒血清15型毒株的全基因组测序与进化分析

李占鸿, 杨振兴, 朱建波, 肖雷, 李乐, 廖德芳, 李华春, 杨恒

李占鸿, 杨振兴, 朱建波, 等. 中国蓝舌病病毒血清15型毒株的全基因组测序与进化分析[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2021, 36(3): 446-455. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202005051
引用本文: 李占鸿, 杨振兴, 朱建波, 等. 中国蓝舌病病毒血清15型毒株的全基因组测序与进化分析[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2021, 36(3): 446-455. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202005051
Zhanhong LI, Zhenxing YANG, Jianbo ZHU, et al. Complete Genome Characterization of Bluetongue Virus Serotype 15 in China[J]. JOURNAL OF YUNNAN AGRICULTURAL UNIVERSITY(Natural Science), 2021, 36(3): 446-455. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202005051
Citation: Zhanhong LI, Zhenxing YANG, Jianbo ZHU, et al. Complete Genome Characterization of Bluetongue Virus Serotype 15 in China[J]. JOURNAL OF YUNNAN AGRICULTURAL UNIVERSITY(Natural Science), 2021, 36(3): 446-455. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202005051

中国蓝舌病病毒血清15型毒株的全基因组测序与进化分析

基金项目: 国家自然科学基金项目(31760744);国家重点研发计划(2017YFC1200505);公益性行业(农业)科研专项(201303035);云南省中青年学术和技术带头人后备人才培养项目(2017HB055)
详细信息
    作者简介:

    李占鸿(1989—),男,云南大理人,硕士,助理研究员,主要从事牛羊虫媒病毒研究。E-mail:dy081lzh@163.com

    通信作者:

    杨恒(1978—),男,四川西昌人,博士,研究员,主要从事牛羊虫媒病毒研究。E-mail:yangheng2008.cool@163.com

  • 中图分类号: S 852.65

摘要:
目的获取中国蓝舌病病毒血清15型(BTV-15)毒株的全基因组序列并分析其遗传特征。
方法通过全长cDNA扩增与高通量测序技术获取中国1996年分离的BTV-15型毒株B105/YN/1996的全基因组序列,进行序列比对并构建系统发生树。
结果序列分析结果显示:B105/YN/1996毒株基因组全长19 154 bp,各基因节段长度在822 bp (Seg-10)~3 944 bp (Seg-1)之间,编码蛋白大小在216 (NS3a 蛋白)~1 302 (VP1蛋白)个氨基酸残基之间。B105/YN/1996毒株的Seg-1、-2、-3、-4、-6与澳大利亚2012年分离BTV-15型毒株的对应基因节段之间具有最近的亲缘关系,Seg-7、-8、-9、-10则与中国BTV-15型V447毒株、BTV-4型YTS4毒株和BTV-1型Y863毒株的序列相似度最高;Seg-5与印度BTV-1型毒株IND1992/02具有最近的亲缘关系。在构建的系统发生树上,B105/YN/1996毒株的Seg-2与Seg-6归属于东方型,Seg-3与Seg-4则构成独立远东型;Seg-7、-10分别构成独立东方-1与东方-2型。
结论中国BTV-15型毒株B105/YN/1996的不同基因节段在遗传进化上呈现高度多样性的特点,提示该毒株为基因重配毒株;该毒株的Seg-3、-4、-7、-10形成了独特的地域型,提示中国BTV-15型毒株在进化上的特殊性。

 

Complete Genome Characterization of Bluetongue Virus Serotype 15 in China

Abstract:
PurposeThe aims of present study were to obtain the complete genome sequence of Chinese BTV-15 strain and analyze its evolutionary characterization.
MethodWhole-genome sequence of the BTV-15 strain (B105/YN/1996) isolated from China in 1996 was obtained by full-length cDNA amplification and high-throughput sequencing techniques.
ResultsSequence comparisons and phylogenetic analyses showed the genome length of B105/YN/1996 was 19 154 bp, with ten segments ranging from 822 bp (Seg-10) to 3 944 bp (Seg-1) encoding proteins with amino acid residues of 216 (NS3a) to 1 302 (VP1). Seg-1, -2, -3, -4 and -6 of the B105/YN/1996 were closely related to the equivalent genomic segments of BTV-15 strain isolated from Australia in 2012, while Seg-7, -8, -9 and -10 of the virus showed the highest sequence identity levels with Chinese BTV-15 strain V447, BTV-4 strain YTS4 and BTV-1 strain Y863, and Seg-5 of the B105/YN/1996 was the most close to BTV-1 strain IND1992/02 isolated from India. In the constructed phylogenetic tree, Seg-2 and Seg-6 of the B105/YN/1996 grouped into the Eastern topotype, and the Seg-3, Seg-4 clustered within the Far-eastern topotype, while Seg-7 and Seg-10 formed separated Eastern-1 and Eastern-2 topotype respectively.
ConclusionDifferent segments of the B105/YN/1996 displayed highly diverse in genetic evolution, suggesting that B105/YN/1996 was a gene recombination strain. The Seg-3, Seg-4, Seg-7 and Seg-10 of the B105/YN/1996 formed the unique topotype, suggesting the independent lineage evolution of the BTV-15 strain in China.

 

  • 蓝舌病(bluetongue,BT)是蓝舌病病毒(bluetongue virus, BTV)感染牛、羊等动物引起的一种严重侵害反刍动物的烈性出血性传染病,主要流行于热带、亚热带及温带地区。病毒主要通过雌性库蠓(Culicoides spp.)对牛、羊和骆驼等反刍动物的吸血性叮咬进行传播[1]。BT的爆发和流行给牛羊养殖业造成严重的经济损失,导致牛羊出口贸易受限,影响畜产品正常国际贸易,据估计全球每年导致的经济损失高达30亿美元[2]。世界动物卫生组织(OIE)将BT列为法定报告的动物疫病,中国也将本病列为一类动物疫病。

    BTV隶属呼肠病毒科(Reoviridae)环状病毒属(Orbivirus),病毒基因组大小约20 kb,由10个基因节段(Seg-1~Seg-10)的双链RNA (double strand RNA,dsRNA)构成,可编码VP1~VP7等7种结构蛋白以及NS1、NS2、NS3、NS3a和NS4等5种非结构蛋白[3-4]。BTV的内部核心由RNA依赖的RNA聚合酶(VP1)、加帽酶(VP4)、解旋酶(VP6)与基因组dsRNA组成[5],内层衣壳由Seg-3与Seg-7编码的VP3与VP7蛋白共同构成,虽然VP3与VP7蛋白具有高度保守的特性,但Seg3与Seg7核酸序列在不同地域分离的BTV毒株间却存在着变异,并可据此将BTV分为东方型毒株(Eastern)与西方型毒株(Western)两种地域型[6]。BTV的外层衣壳由Seg-2与Seg-6编码的VP2与VP5蛋白构成,其中VP2蛋白是诱导机体产生中和抗体的蛋白,决定着BTV的血清型[7]。BTV的Seg-2/VP2与Seg-6/VP5具有丰富的遗传多样性,目前世界范围报道了27种血清型BTV (BTV-1~BTV-27)[8-10]。BTV血清型众多,不同血清型毒株之间缺乏交叉免疫保护,给疫病的防控带来了严峻的挑战[11]

    BTV-15型流行于非洲、中东地区、澳大利亚与中国。澳大利亚流行BTV-15型毒株的全基因组测序结果显示其Seg-3与Seg-4构成了一个独立的地域型:远东型(Far-eastern),提示BTV-15型毒株在进化上的独特性[12]。本实验室在1996—1997年从中国云南省分离到BTV-15型毒株,但对毒株遗传背景的掌握仅限于Seg-2与Seg-10基因节段[13-14]。基因组序列信息的缺乏,限制了对流行于中国的BTV-15型毒株的起源与病毒基因重配等关键信息的掌握。为分析中国BTV-15型毒株的进化特征以及与世界范围BTV-15型毒株之间的关系,本研究采用全长cDNA扩增技术(full length cDNA application,FLAC)[15]与高通量测序技术(next generation sequencing,NGS)对中国1996年分离的BTV-15型毒株B105/YN/1996进行全基因组扩增与测序,研究结果可为掌握中国BTV的演化和诊断试剂的开发提供科学依据。

    BHK-21细胞(仓鼠肾细胞)由本实验室保存。B105/YN/1996毒株于1996年分离自云南省普洱市的哨兵牛(sentinel cattle),通过血清中和试验鉴定病毒为BTV-15型。

    用于与dsRNA 5′ 末端磷酸基团连接的锚定引物:5′-GACCTCTGAGGATTCTAAAC/iSp9/TCCAGTTTAGAATCC-3′ 和dsRNA病毒全基因组PCR扩增引物5-15-1:5′-GAGGGATC CAGTTTAGAATCCTCAGAGGTC-3′ 均参照MAAN等[15]报道的序列,由上海生物工程有限公司合成。

    将病毒接种于75 cm2细胞瓶中生长为单层的BHK-21细胞,待细胞出现完全细胞病变后收集细胞沉淀,使用RNA提取试剂RNAiso-Plus (大连宝生物公司)按操作说明提取细胞总RNA,取5 μL总RNA以1.5%的琼脂糖凝胶进行电泳观察。

    为获取高纯度的病毒基因组dsRNA,采用核糖核酸酶S1 (大连宝生物公司)降解的方式除去宿主细胞的单链RNA (single strand RNA, ssRNA),方法为:以90 μL水溶解提取核酸,在提取的总RNA加入核糖核酸酶S1 Buffer 10 μL 和核糖核酸酶S1 (180 U/μL) 2 μL,于37 ℃保温30 min,随后使用Monarch RNA Cleanup Kit纯化试剂盒 (NEB公司)参照说明书进行核酸纯化,取5 μL纯化后的病毒基因组dsRNA以1.5%的琼脂糖凝胶进行电泳观察。

    取10 μL纯化后的病毒基因组dsRNA,参照MAAN等[15]报道的FLAC技术进行病毒全基因组cDNA合成。取5 μL完成变性与复性处理的cDNA为模板,使用高保真DNA聚合酶(大连宝生物公司)按说明书推荐的反应体系进行PCR扩增。PCR扩增程序如下:94 ℃预变性3 min;94 ℃变性30 s,60 ℃复性30 s,68 ℃延伸4 min,30个循环。反应结束后,取5 μL PCR扩增产物电泳检测dsRNA病毒基因组扩增的完整程度。

    使用DNA纯化试剂盒 (大连宝生物公司)对扩增的BTV基因组DNA产物进行纯化。使用Illumina公司TruSeq DNA Sample Prep Kit v2 DNA文库构建试剂盒进行文库的构建(150 bp),将构建的文库在Illumina HiSeq 2500测序平台上进行测序。使用Trimmomatic软件和FastQC软件[16]对获取的原始数据进行质量控制与滤过处理(Q>20),使用Cap3软件[17]、PRICE (v140408)软件[18]以及IGV软件(v2.3.34)[19]对滤过后的测序最小单位(读长,reads)进行从头组装(de nove),获得B105/YN/1996毒株完整基因组的Seg-1~Seg-10基因节段。

    使用NCBI网站中的在线ORF分析软件(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)分析B105/YN/1996毒株各个基因节段编码氨基酸序列,使用BLAST软件(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)分析B105/YN/1996与世界范围BTV毒株核酸和氨基酸序列的相似度。使用MAFFT[20]进行核酸序列的比对,采用MEGA X软件以邻近法[21]进行系统发生树的构建,选择的参数为p-distance,自举检验值(bootstraps)取值为1 000。

    图1a可知:从病毒感染细胞中提取的BTV基因组dsRNA含有大量的宿主ssRNA短片段,经核糖核酸酶S1处理后有效提高了提取BTV基因组dsRNA的纯度,同时BTV基因组dsRNA仍保持良好的完整型,为采用FLAC技术进行BTV全基因组的RT-PCR扩增提供了基础。

    图  1  BTV dsRNA及全基因组扩增产物电泳
    注:1. 未做处理的dsRNA;2. S1核糖核酸酶处理的dsRNA;3. BTV-15全基因组扩增产物;M. DL 5000 Marker。
    Figure  1.  Electrophoresis of the BTV dsRNA and complete genome amplification product
    Notes: 1. untreated dsRNA; 2. DsRNA treated by S1 ribonuclease; 3. complete genome amplification product of BTV-15; M. DL 5000 Marker.

    通过FLAC技术在1个PCR反应中完成了B105/YN/1996毒株全基因组扩增,电泳结果(图1b)显示:各基因节段PCR产物的大小在0.8~4 kb。将纯化后的全基因组PCR产物在Illumina Hiseq 2500 平台上进行NGS测序与测序结果的de nove拼接,共获取11 832 636条reads,通过数据过滤处理后得到了10 729 401条 reads (Q>20),其中99.98%的reads被进一步组装形成了10个重叠群(contigs),每个contigs上单碱基位点的平均测序深度均大于5 000×,表明成功对B105/YN/1996毒株基因组进行深度测序。

    获取的B105/YN/1996毒株基因组序列全长为19 154 bp,10个基因节段的G+C含量在42.37%~48.96%,长度在822 bp (Seg-10)~3 944 bp (Seg-1)之间,编码蛋白的氨基酸残基数在216 (NS3a)~1 302 (VP1)之间。非编码区(non-coding regions,NCR)占基因组的4.07%,各基因节段5′端NCR的长度在8 bp (Seg-4)~34 bp (Seg-5)之间,3′ UTR的长度均大于5′端UTR,其长度在24 bp (Seg-1)~133 bp (Seg-10)之间,各个节段的5′ 与3′ NCR区均具有5′-GUUAAAA…….ACACUUAC-3′的保守序列(表1),并具有环状病毒属末端特有的5′-GU…….UAC-3′序列特征[22]。BLAST比对分析结果显示:BTV-15B105/YN/1996毒株与澳大利亚的BTV-15型毒株、印度毒株BTV-1型以及中国BTV-4和BTV-15型毒株具有最近的亲缘关系,各基因节段的核酸与编码氨基酸序列相似度在90.17%/94.54% (Seg-2/VP2) ~99.90%/99.43% (Seg-7/VP7)之间(表2)。

    表  1  B105/YN1996毒株基因组与编码蛋白的特征
    Table  1.  Characteristics of B105/YN1996 genome segments and their encoded proteins
    基因节段
    gene segment
    长度/bp
    size
    ORF 区
    ORFs
    编码蛋白
    protein
    蛋白大小
    protein
    length
    G+C 含量/%
    G+C
    content
    5′ NCR 长度/bp
    length
    of 5′ NCR
    3′ NCR 长度/bp
    length
    of 3′ NCR
    5′ 和3′ NCR末端序列
    terminal sequences
    of 5′ and 3′ NCR
    GenBank 登录号
    GenBank
    accession No.
    Seg-1 3944 12-3920 VP1 1302 42.37 11 24 5′-GUUAAAAUG......ACACUUAC-3′ MH346491
    Seg-2 2902 17-2875 VP2 952 43.07 16 27 5′-GUUAAAAGU......AAACUUAC-3′ MH346492
    Seg-3 2772 18-2723 VP3 901 45.38 17 49 5′-GUUAAAUUU......ACACUUAC-3′ MH346493
    Seg-4 1981 9-1943 VP4 644 43.72 8 39 5′-GUUAAAACA......AAACUUAC-3′ MH346494
    Seg-5 1763 35-1693 NS1 527 42.82 34 124 5′-GUUAAAAAA......CAACUUAC-3′ MH346495
    Seg-6 1639 28-1611 VP5 552 44.97 27 28 5′-GUUAAAAAG......ACACUUAC-3′ MH346496
    Seg-7 1154 18-1067 VP7 349 48.96 17 87 5′-GUUAAAAAU......AAACUUAC-3′ MH346497
    Seg-8 1125 20-1084 NS2 354 44.44 19 41 5′-GUUAAAAAA......ACACUUAC-3′ MH346498
    Seg-9 1052 16-1008 VP6 330 47.91 15 44 5′-GUUAAAAAA......ACACUUAC-3′ MH346499
    Seg-10 822 20-709 NS3 229 46.47 19 133 5′-GUUAAAAAG......ACACUUAC-3′ MH346500
    59-709 NS3a 216
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    表  2  B105/YN1996毒株全基因组序列BLAST分析
    Table  2.  Sequence comparisons of B105/YN1996 genome by BLAST analyses
    基因节段
    gene segment
    与 B105/YN1996 毒株各基因节段具有最近亲缘关系的毒株
    closest strain with B105/YN1996 genome segment
    毒株
    isolate
    GenBank 登录号
    GenBank accession No.
    血清型
    serotype
    国家
    country
    序列相似度/% (核酸/氨基酸)
    sequence identity (nt/aa)
    Seg-1/VP1 2012-38 KY485076 BTV-15 澳大利亚 Australia 96.93/99.23
    Seg-2/VP2 2012-38 MF384479 BTV-15 澳大利亚 Australia 90.17/94.54
    Seg-3/VP3 2012-38 MH346493 BTV-15 澳大利亚 Australia 97.33/99.33
    Seg-4/VP4 2012-38 MH346493 BTV-15 澳大利亚 Australia 97.10/98.29
    Seg-5/NS1 IND1992/02 KP696529 BTV-1 印度 India 99.09/99.82
    Seg-6/VP2 2012-38 MF384727 BTV-15 澳大利亚 Australia 96.71/99.24
    Seg-7/VP7 V447 AF172830 BTV-15 中国 China 99.90/99.43
    Seg-8/NS2 YTS4 JX560420 BTV-4 中国 China 97.68/98.02
    Seg-9/VP6 Y863 KC879623 BTV-1 中国 China 97.71/96.67
    Seg-10/NS3 V447 AF135228 BTV-15 中国 China 99.87/99.13
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    B105/YN/1996与BTV-15型参考毒株(BTV-15/RSArrrr) Seg2/VP2序列相似度为74.2%/81.1%,而与其他血清型参考毒株的序列相似度最高仅为52.2%/45.4%。根据Seg-2序列构建的系统发生树显示:27种血清型BTV的Seg-2分为A~L等12种基因型,其中BTV-15型毒株构成独立的基因J型(图2a),与其他基因型BTV的Seg-2/VP2序列相似度在41.7%/26.1% (基因C型)~52.2%/45.4% (基因G型)之间。在系统发生树上,中国与澳大利亚毒株BTV-15型毒株的Seg-2聚为东方型,Seg-2/VP2序列相似度最高为88.5%/94.5%,与非洲与以色列等西方型毒株之间最高仅为74.2%/81.1% (图2a)。

    图  2  BTV-15型毒株(B105/YN/1996) Seg-2 和Seg-6 系统发生树
    注:黑点表示本研究使用的B105/YN/1996毒株;A~L代表基因型。
    Figure  2.  Phylogenetic tree for Seg-2 and Seg-6 gene segments of BTV-15 (B105/YN/1996)
    Notes: Black dots indicate the B105/YN/1996 used in this study; A-L represent 12 genotypes.

    BTV Seg-6序列构建的系统发生树(图2b)表明:27种血清型BTV的Seg-6可分为A~I等9种基因型,其中BTV-15型毒株的Seg-6构成了独立的F基因型,与其他血清型参考毒株的核酸序列相似度在57.4%~96.7%,VP5氨基酸序列相似度在55.9%~99.2%。与Seg-2系统发生树上观察到的结果类似,世界范围BTV-15型的Seg-6可分为东方与西方两种地域型。中国与澳大利亚BTV-15型毒株聚为东方型,Seg-6序列相似度为90.6%与96.7%,VP5序列相似度为98.2%与99.2%;与西方型的非洲和以色列BTV-15毒株的Seg-6核酸序列相似度在80.1%~80.4%,VP5氨基酸序列相似度在95.6%~96.2%。

    中国BTV-15型B105/YN/1996毒株的Seg-3/VP3与澳大利亚的BTV-15型毒株具有最近的亲缘关系,序列相似度分别为90.5%/98.5%与97.3%/99.3%,与中东、非洲BTV-15毒株核酸相似度在79.3%~79.8%,氨基酸序列相似度在96.6%~96.8%。在系统发生树上,中国分离的BTV-1、BTV-2、BTV-4、BTV-12、BTV-16与BTV-21型均为东方型,而中国与澳大利亚毒株BTV-15型毒株的Seg-3形成了1个新的独立的远东型分支(图3a),与东方型毒株的核酸序列相似度在80.4%~81.5%,氨基酸序列相似度在96.4%~97.5%。

    图  3  BTV-15型毒株(B105/YN/1996) Seg-3和Seg-4系统发生树
    注:“●”表示本研究使用的B105/YN/1996毒株;“■”表示中国分离的BTV毒株;其他国家分离的BTV毒株序列以“GenBank序列号_BTV-血清型_分离国家_病毒分离时间”表示;下同。
    Figure  3.  Phylogenetic tree for Seg-3 and Seg-4 gene segments of BTV-15 (B105/YN/1996)
    Notes: “●” indicates the B105/YN/1996 strain used in this study; “■” indicates the BTV strains isolated from China; BTV strains isolated from other countries were indicated as “GenBank accession No._BTV serotype_isolation country_ isolation time”; the same as below.

    中国BTV-15型B105/YN/1996毒株的Seg-4/VP4与澳大利亚2012年分离的BTV-15型毒株具有最近的亲缘关系,核酸与氨基酸序列相似度为97.1%/98.2%,与中东和非洲BTV-15毒株序列Seg-4核酸序列相似度为79.3%~80.2%,VP4氨基酸序列相似度在93.0%~93.1%。Seg-4构建的系统发生树的结果与Seg-3的系统发生树类似(图3b),BTV-15型中国毒株与澳大利亚2012年分离BTV-15型毒株共同构成了远东型,与其他东方型毒株的核酸序列相似度在79.0%~83.6%,氨基酸序列相似度在93.0%~95.0%。值得注意的是,澳大利亚1982年分离的BTV-15型毒株的Seg-4为东方型(图3b),表明该毒株的Seg-4基因节段很可能发生了基因重配。

    虽然VP7蛋白的氨基酸序列在BTV之间高度保守,但Seg-7序列在BTV毒株间具有较高的变异度,可将其分为东方-1~3以及西方-1~7等10种地域型,显示Seg-7的遗传多样性。中国BTV-15型毒株B105/YN/1996显示出与澳大利亚毒株最近的亲缘关系,核酸序列相似度分别为92.4%与96.9%,而氨基酸序列相似度均为99.4%。中国与澳大利亚BTV-15型毒株的Seg-7在系统发生树上形成1个独立的东方-1型(图4a),与属于西方-5型的中东、非洲毒株的核酸序列相似度在81.4%~81.9%,氨基酸序列相似度在98.2%~98.3%。

    图  4  BTV-15型毒株(B105/YN/1996) Seg-7和Seg-10系统发生树
    Figure  4.  Phylogenetic tree for Seg-7 and Seg-10 gene segments of BTV-15 (B105/YN/1996)

    在系统发生树上,中国、印度、日本与澳大利亚不同血清型BTV毒株的Seg-10聚为东方-1型;中国1996年与1997年分离的2株BTV-15型毒株构成了独立的东方-2型(图4b),二者Seg-10/NS3序列高度相似(99.9%/99.6%),与东方-1型毒株的Seg-10核酸序列相似度在82.6%~87.3%,NS3蛋白质氨基酸序列相似度在96.9%~98.6%。

    1996—2017年,本实验室在中国不同地区先后分离到共计12种血清型BTV (BTV-1、-2、-3、-4、-5、-7、-9、-12、-15、-16、-21和-24),表明中国流行BTV血清型的多样型与复杂性[22-26]。掌握中国BTV流行血清型毒株的全基因组序列,不仅可掌握中国流行BTV的血清型,也为BTV诊断检测技术的开发、BTV毒株遗传与演化特征等方面的研究提供数据。

    基因重配是基因组分节段RNA病毒进化的主要动力,可对病毒的感染特性和传播特性产生重要的影响[27]。自然界中,不同血清型或地域型的BTV毒株共感染同一宿主动物的情况十分普遍,而BTV毒株之间的基因重配可发生在任意1个节段上,使得BTV呈现出高度的遗传多样性[28]。通过对B105/YN/1996毒株的全基因组测序发现:B105/YN/1996毒株的Seg-1、-2、-3、-4和-6与澳大利亚2012年分离的BTV-15型毒株之间具有最近亲缘关系;该毒株的Seg-5却与印度BTV-1型IND1992/02毒株高度相似,在系统发生树上与印度毒株聚为一簇,处于印度支系的内部;Seg-8与Seg-9则与中国同一时期流行的BTV-1型Y863毒株与BTV-4型YTS-4毒株显示了最近亲缘关系。分析其原因在于:一方面,B105/YN/1996可能发生多次基因重配,使得病毒的基因节段在进化上出现了高度的多样型,不同基因节段有着不同的最近共有祖先(most recent common ancestor,MRCA);另一方面,中国与澳大利亚和印度之间存在频繁的牛羊及其畜产品的贸易,由此推测在中国与澳大利亚和印度之间很可能也存在着BTV的扩散,为BTV在不同地域流行毒株之间发生基因重配创造了条件。

    B105/YN/1996与澳大利亚BTV-15型毒株的Seg-3、Seg-4与Seg-7在系统发生树上分别构成了独立的2个远东地域型和1个独立的东方-1型;中国的BTV-15型毒株的Seg-10则在系统发生树上形成独立的东方-2型。这些特殊地域型的发现进一步丰富了对BTV遗传多样性的认识,另一方面也显示中国与澳大利亚BTV-15型毒株的这些基因节段在起源上的独特性。BTV-25~BTV-27等3种BTV新血清型毒株的基因节段在系统发生树上形成了独立于其他血清型BTV之外的进化分枝[9-10],研究也同时发现新血清型BTV展示了与其他不同血清型不同的感染特性,如BTV-25型在山羊上的感染持续期可长达25个月,甚至可能终生带毒[29],BTV-26在山羊上很容易发生接触性传播而无须媒介库蠓的介导[30]。这提示特殊的基因序列很可能赋予BTV不同的感染特性,BTV-15型毒株中形成独立地域型的基因节段起源是什么,在感染特性上与其他血清型BTV是否存在不同等科学问题仍值得进一步研究。

    本研究完成了中国分离BTV-15型毒株B105/YN/1996的全基因组测序,序列分析显示该毒株的不同基因节段在进化上具有高度多样性,不同的基因节段分别与澳大利亚、中国和印度毒株显示了最近的亲缘关系,提示该毒株为基因重配毒株;该毒株的Seg-3、-4、-7、-10形成了在系统发生树上形成独立的进化分支,进一步表明其在进化上的特殊性。研究结果丰富了对BTV遗传多样性的认识,为掌握中国BTV-15型毒株的演化和诊断试剂的开发提供了科学依据。

  • 图  1   BTV dsRNA及全基因组扩增产物电泳

    注:1. 未做处理的dsRNA;2. S1核糖核酸酶处理的dsRNA;3. BTV-15全基因组扩增产物;M. DL 5000 Marker。

    Figure  1.   Electrophoresis of the BTV dsRNA and complete genome amplification product

    Notes: 1. untreated dsRNA; 2. DsRNA treated by S1 ribonuclease; 3. complete genome amplification product of BTV-15; M. DL 5000 Marker.

    图  2   BTV-15型毒株(B105/YN/1996) Seg-2 和Seg-6 系统发生树

    注:黑点表示本研究使用的B105/YN/1996毒株;A~L代表基因型。

    Figure  2.   Phylogenetic tree for Seg-2 and Seg-6 gene segments of BTV-15 (B105/YN/1996)

    Notes: Black dots indicate the B105/YN/1996 used in this study; A-L represent 12 genotypes.

    图  3   BTV-15型毒株(B105/YN/1996) Seg-3和Seg-4系统发生树

    注:“●”表示本研究使用的B105/YN/1996毒株;“■”表示中国分离的BTV毒株;其他国家分离的BTV毒株序列以“GenBank序列号_BTV-血清型_分离国家_病毒分离时间”表示;下同。

    Figure  3.   Phylogenetic tree for Seg-3 and Seg-4 gene segments of BTV-15 (B105/YN/1996)

    Notes: “●” indicates the B105/YN/1996 strain used in this study; “■” indicates the BTV strains isolated from China; BTV strains isolated from other countries were indicated as “GenBank accession No._BTV serotype_isolation country_ isolation time”; the same as below.

    图  4   BTV-15型毒株(B105/YN/1996) Seg-7和Seg-10系统发生树

    Figure  4.   Phylogenetic tree for Seg-7 and Seg-10 gene segments of BTV-15 (B105/YN/1996)

    表  1   B105/YN1996毒株基因组与编码蛋白的特征

    Table  1   Characteristics of B105/YN1996 genome segments and their encoded proteins

    基因节段
    gene segment
    长度/bp
    size
    ORF 区
    ORFs
    编码蛋白
    protein
    蛋白大小
    protein
    length
    G+C 含量/%
    G+C
    content
    5′ NCR 长度/bp
    length
    of 5′ NCR
    3′ NCR 长度/bp
    length
    of 3′ NCR
    5′ 和3′ NCR末端序列
    terminal sequences
    of 5′ and 3′ NCR
    GenBank 登录号
    GenBank
    accession No.
    Seg-1 3944 12-3920 VP1 1302 42.37 11 24 5′-GUUAAAAUG......ACACUUAC-3′ MH346491
    Seg-2 2902 17-2875 VP2 952 43.07 16 27 5′-GUUAAAAGU......AAACUUAC-3′ MH346492
    Seg-3 2772 18-2723 VP3 901 45.38 17 49 5′-GUUAAAUUU......ACACUUAC-3′ MH346493
    Seg-4 1981 9-1943 VP4 644 43.72 8 39 5′-GUUAAAACA......AAACUUAC-3′ MH346494
    Seg-5 1763 35-1693 NS1 527 42.82 34 124 5′-GUUAAAAAA......CAACUUAC-3′ MH346495
    Seg-6 1639 28-1611 VP5 552 44.97 27 28 5′-GUUAAAAAG......ACACUUAC-3′ MH346496
    Seg-7 1154 18-1067 VP7 349 48.96 17 87 5′-GUUAAAAAU......AAACUUAC-3′ MH346497
    Seg-8 1125 20-1084 NS2 354 44.44 19 41 5′-GUUAAAAAA......ACACUUAC-3′ MH346498
    Seg-9 1052 16-1008 VP6 330 47.91 15 44 5′-GUUAAAAAA......ACACUUAC-3′ MH346499
    Seg-10 822 20-709 NS3 229 46.47 19 133 5′-GUUAAAAAG......ACACUUAC-3′ MH346500
    59-709 NS3a 216
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    表  2   B105/YN1996毒株全基因组序列BLAST分析

    Table  2   Sequence comparisons of B105/YN1996 genome by BLAST analyses

    基因节段
    gene segment
    与 B105/YN1996 毒株各基因节段具有最近亲缘关系的毒株
    closest strain with B105/YN1996 genome segment
    毒株
    isolate
    GenBank 登录号
    GenBank accession No.
    血清型
    serotype
    国家
    country
    序列相似度/% (核酸/氨基酸)
    sequence identity (nt/aa)
    Seg-1/VP1 2012-38 KY485076 BTV-15 澳大利亚 Australia 96.93/99.23
    Seg-2/VP2 2012-38 MF384479 BTV-15 澳大利亚 Australia 90.17/94.54
    Seg-3/VP3 2012-38 MH346493 BTV-15 澳大利亚 Australia 97.33/99.33
    Seg-4/VP4 2012-38 MH346493 BTV-15 澳大利亚 Australia 97.10/98.29
    Seg-5/NS1 IND1992/02 KP696529 BTV-1 印度 India 99.09/99.82
    Seg-6/VP2 2012-38 MF384727 BTV-15 澳大利亚 Australia 96.71/99.24
    Seg-7/VP7 V447 AF172830 BTV-15 中国 China 99.90/99.43
    Seg-8/NS2 YTS4 JX560420 BTV-4 中国 China 97.68/98.02
    Seg-9/VP6 Y863 KC879623 BTV-1 中国 China 97.71/96.67
    Seg-10/NS3 V447 AF135228 BTV-15 中国 China 99.87/99.13
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图(4)  /  表(2)
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出版历程
  • 通信作者:  杨恒 yangheng2008.cool@163.com
  • 收稿日期:  2020-05-29
  • 修回日期:  2020-12-12
  • 网络首发日期:  2021-05-30

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