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Detection for RNA viruses in tobacco by High-throughput sequencing of siRNA

利用siRNA高通量测序技术检测烟草病毒



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  45(1): 97 ̄100(2015)
收稿日期: 2014 ̄02 ̄04ꎻ 修回日期: 2014 ̄10 ̄09
基金项目: 安徽省烟草公司科技攻关项目“安徽省烟草有害生物调查研究” ( 20100551005)ꎻ公益性行业(农业)科研专项经费资助
(201203091)
通讯作者: 高正良ꎬ研究员ꎬ主要从事烟草病虫害研究ꎻTel:0551-65148987ꎬ E ̄mail:gaozl63@sohu.comꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2015.01.015
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研究简报
利用 siRNA高通量测序技术检测烟草病毒
王 芳ꎬ 周本国ꎬ 许大凤ꎬ 高正良∗
(安徽省农业科学院烟草研究所ꎬ 合肥 230031)
Detection for RNA viruses in tobacco by High ̄throughput sequencing of siRNA  
WANG Fangꎬ ZHOU Ben ̄guoꎬ XU Da ̄fengꎬ GAO Zheng ̄liang  (Tobacco Instituteꎬ Anhui Academy of Agricultu ̄
ral Sciencesꎬ Hefei 230031ꎬ China)
Abstract: Plant obtains immunity against RNA virus through small interference RNA (siRNA) mechanism. we
adopt next ̄generation sequencing technology to perform high throughput sequencing of tabacco siRNA and
screening for RNA virus sequences with bioinformatics methods. We found that PVYꎬ CMVꎬ TMVꎬ TVBMV
and other virus genomic information in Anhui Province. This research established a new strategy to find naturally
RNA viruses in tobaccoꎬ and this strategy could be applied to virus surveillance in tobacco.
Key words: high ̄throughput sequencingꎻ small interference RNAꎻ detection virus
文章编号: 0412 ̄0914(2015)01 ̄0097 ̄04
    烟草是我国的主要经济作物之一ꎬ病毒病是烟
草生产上的重要病害ꎮ 常见的烟草病毒主要有马
铃薯 Y病毒(Potato virus YꎬPVY)、黄瓜花叶病毒
(Cucumber mosaic virusꎬCMV)、烟草花叶病毒
(Tobacco mosaic virusꎬTMV)、烟草脉带花叶病毒
( Tobacco vein banding mosaic virusꎬ TVMBV )
等[1]ꎮ 此外ꎬ近年来在烟草上还发生一些新的病
毒病害ꎬ如南美红辣椒脉斑驳病毒 (Chilli veinal
mottle virusꎬChiVMV) [2]、番茄环纹斑点病毒(To ̄
mato zonate spot virusꎬ ZTSV) [3]和番茄斑萎病毒
(Tomato spotted wilt virusꎬ TSWV) [4]ꎮ 这些病毒
都对烟草造成严重的危害ꎮ 调查烟田已知和未知
的病毒ꎬ对了解不同烟区病毒病情况ꎬ防治和控制
病毒病具有一定意义ꎮ
    植物具有天然抗病毒机制ꎬ当外来的 RNA 病
毒在植物体内复制时ꎬ机体会启动该机制ꎬ产生大
量针对入侵病毒的 siRNAꎮ siRNA 是长为 20 ~ 25
个核苷酸的小分子 RNAꎬ在植物体内通过与靶
RNA结合导致靶 RNA 的降解ꎮ 由于 siRNA 具有
分子量小的特点ꎬ可以很容易地与细胞中的
mRNAꎬ tRNAꎬ rRNA 区别出来ꎬ因此通过分析
siRNA寻找动植物中的病毒成为一种简便易行的
手段ꎬWu等[5]利用此方法发现多种果蝇携带的新
病毒ꎮ 本研究主要通过高通量测序技术对病毒所
产生的 siRNA 进行测序ꎬ并利用软件对所测序的
读数进行组装ꎬ组装的结果与数据库比对分析ꎬ检
测和发现新病毒ꎮ
1  材料与方法
1.1  实验材料
    发病烟草材料采自安徽东至ꎬ宣城和亳州烟
 
植物病理学报 45卷
区ꎮ 采集烟草样品主要症状为:叶片表现叶脉坏
死ꎬ花叶ꎬ褶皱鼠尾状ꎬ黄斑ꎬ坏死斑点ꎬ叶片皱缩ꎮ
东至、宣城和亳州 3个烟区的大田期样品采集时间
为 2013年 6月ꎮ 采集部位烟叶上部叶ꎬ样品用锡
箔纸包裹液氮保存ꎮ 同一烟区表现以上症状的样
品混合构成一个地区的文库ꎬ总共构建东至、宣城
和亳州 3个小 RNA文库ꎮ
1.2  血清学检测
    采用购自 ADGEN 的 DAS ̄ELISA 检测试剂盒
对病样进行检测ꎬ具体检测方法参照说明书ꎮ 选用
番茄斑萎病毒(TSWV)、马铃薯 Y 病毒(PVY)、烟
草饰文病毒(TEV)、黄瓜花叶病毒(CMV)、烟草花
叶病毒(TMV)、烟草脉带花叶病毒(TVMBV)和烟
草环斑病毒(Tobacco ring spot virusꎬTRSV)的抗血
清ꎮ 样品采用同一烟区的混合样品进行检测ꎮ
1.3  烟草总 RNA的提取
    采用改良 SDS /酚法:取 1 g 研磨混合后的样
品每个地区混合样品叶片ꎬ研磨过程中加入少许粉
末 PVPꎬ取室温放置研钵ꎬ加入 10 mL 提取液ꎬ将
粉末转移至提取液中继续匀浆ꎬ将匀浆液转移至离
心管中ꎬ充分混匀后冰浴 15 minꎬ4℃12 000 rpm离
心 15 minꎬ移上清至新的离心管ꎻ加入 1 / 3 体积 5
mol / L KAc(pH4.8)ꎬ充分混匀ꎬ冰浴 15 minꎬ4℃
12 000 rpm 离心 15 minꎬ移上清至新的离心管ꎻ加
入等体积氯仿:异戊醇(24 ∶ 1)ꎬ充分混匀ꎬ冰浴
10 minꎬ4℃12 000 rpm离心 15 minꎬ移上清至新的
离心管ꎻ加入等体积预冷的异丙醇ꎬ ̄20℃放置2 hꎬ
4℃12 000 rpm离心 15 minꎬ弃上清ꎻ75%乙醇洗涤
沉淀 2次ꎬ室温干燥后溶解于 DEPC ̄H2O中ꎬ ̄80℃
保存ꎮ
1.4  建库及测序
    小 RNA文库构建及测序均由测序公司完成ꎬ
测序平台为 Illumina Hiseq 2000ꎮ
1.5  样本病毒分析
    去除低质量ꎬ未插入 3′接头ꎬ5′接头 readsꎬ另
外再除去带 polyA 尾巴的数据ꎬ最后选取不小于
18 nt的 readsꎮ 所得的序列去除 3′接头ꎬ处理后的
序列用序列组装软件 velvet version 1.1.06 进行短
序列组装ꎬ由于小 RNA 文库中序列均较短ꎬ所以
设定参数 hash_length 17ꎮ 组装的重叠群寻找高度
同源序列:首先ꎬ用 blastn 将组装的重叠群比对到
核酸数据库 nt database中ꎬ从比对结果文件中选出
每一条序列的比对结果中 e值最小的结果ꎬ再筛选
出这些结果中比对序列的覆盖度至少达到 90%且
同源性也至少达到 90%的结果ꎮ 组装的重叠群寻
找部分同源序列:将寻找高度同源序列中没有找到
高度同源性的重叠群ꎬ用 blastx在蛋白质数据库 nr
database中寻找同源序列ꎬ所设参数为 ̄e 1e ̄3ꎬ从每
一条重叠群的比对结果中选出 e 值最小的结果ꎮ
筛选和已知病毒序列具有同源性的重叠群:从寻找
高度同源序列和寻找部分同源序列筛选出的结果
中选出和病毒序列同源的重叠群ꎬ这些重叠群必须
只和已知病毒同源ꎬ若和非病毒序列也具有同等的
同源性ꎬ则舍弃ꎮ
2  结果与分析
2.1  血清学检测结果
    采集症状表现为 1.1 中描述的烟草样品ꎬ采用
TSWV、PVY、CMV、TMV、TEV、TRSV 和 TVBMV
共 7个抗血清进行检测ꎮ 东至样品的 PVY、CMV
和 TMV 呈阳性ꎬ宣城样品的 PVY 和 TMV 呈阳
性ꎬ亳州样品的 PVY、CMV 和 TVBMV 呈阳性ꎬ所
有样品的 TSWV、TEV和 TRSV 均呈阴性ꎬ初步确
定 3个烟区的烟草病毒病种类ꎬ其中东至烟区病毒
病种类有 PVY、CMV 和 TMVꎻ宣城烟区病毒病种
类有 PVY和 TMVꎬ亳州烟区病毒病种类有 PVY、
CMV和 TVBMVꎮ
2.2  烟草 siRNA高通量测序结果
    安徽东至ꎬ宣城和亳州 3 个烟区烟草样本经
RNA提取ꎬ小 RNA分离ꎬ纯化和测序处理ꎬ处理 reads
分别为 18 462 979 个(共组装成 5 102 条重叠群)ꎬ
22 547 252个(共组装成 8 600条重叠群)和 20 405 970
个(共组装成 10 004条重叠群)ꎮ 如图 1所示ꎮ
2.3  烟草病毒检测结果
    所得序列用序列组装软件 Velvet version 1.1.06
进行短序列组装ꎬ组装的重叠群寻找高度同源序列
(同源性大于 90%)和部分同源序列(同源性低于
90%)ꎬ从所得序列中筛选与病毒同源的重叠群比
对结果见表 1ꎮ
89
 
  1期 王 芳ꎬ等:利用 siRNA高通量测序技术检测烟草病毒
Fig. 1   Reads of small RNA length distribu ̄
tion from Dongzhi ( A )ꎬ Xuancheng
(B)and Bozhou(C)
    从病毒检测结果中我们可以看出ꎬ3 个文库中
均检测到了 PVYꎬ并且同源重叠群数目较高ꎬ
分别为东至 732ꎬ宣城 616ꎬ亳州 244ꎻ其次东至和宣
城都检测到了 TMVꎬ同源重叠群数为东至 74ꎬ宣
城 46ꎻ东至和亳州都检测到了 CMVꎬ同源重叠群
数为东至 3ꎬ亳州 492ꎮ 从检测的结果中我们可以
得出ꎬ3个烟区东至ꎬ宣城和亳州都有 PVY侵染ꎬ并
且 TMV和 CMV同源重叠群数也较高ꎬ说明 PVY、
TMV和 CMV是安徽烟区的主要病毒ꎬ检测结果与
用 ELISA方法检测结果一致ꎮ 亳州烟区还检测到
了 TVBMVꎬ同源重叠群 122ꎮ 3个文库还检测到了
芸薹黄化病毒(Brassica yellows virusꎬBrYV)、芜菁
黄化病毒(Turnip yellows virusꎬTuYV)和甜菜西方
黄化病毒(Beet western yellows virusꎬBWYV)高度
同源的重叠群ꎬ这 3种病毒同属于马铃薯卷叶病毒
属(Polerovirus)、黄症病毒科(Luteoviridae)ꎬ测序结
果需要进一步的试验验证才能明确所采集的样品里
是否含有这 3种病毒ꎮ 在亳州的样本中还检测到了
48个重叠群与Mint virus 1部分同源的病毒(图 2)ꎬ
48个重叠群与已经报道的Mint virus 1同源性最高ꎬ
但是低于 90%ꎬ这可能是检测到的新病毒ꎬ后续病毒
序列扩增试验正在进行ꎮ
3  结论与讨论
    本研究利用小 RNA测序技术研究发现安徽东
Table 1  Result of virus detection from tobacco library of Dongzhiꎬ Xuancheng and Bozhou
Type Name of library
Number of
    homology contigs
Name of
    homology virus
Highly homologous
with virus
Dongzhi
732 Potato virus Y
74 Tobacco mosaic virus
3 Cucumber mosaic virus
Xuancheng
616 Potato virus Y
46 Tobacco mosaic virus
13 Brassica yellows virus
12 Turnip yellows virus
492 Cucumber mosaic virus
Bozhou
244 Potato virus Y
122 Tobacco vein banding mosaic virus
25 Turnip yellows virus
19 Brassica yellows virus
14 Beet western yellows virus
Part of the homologous
with virus
Bozhou 48 Mint virus 1
99
 
植物病理学报 45卷
Fig. 2  Comparison result between new virus and Mint virus 1
A:Position of 48 contigs on genome of Mint virus 1ꎻB:Reads length and distribution of positive
and negative readsꎬtotal reads was 1289475.
至、宣城和亳州存在 PVY、TMV、CMV、TVBMV、
BrYV、TuYV和 BWYV以及一种与 Mint virus 1 部
分同源的新病毒ꎮ 其中 PVY、TMV、CMV 和 TVB ̄
MV与酶联免疫法(ELISA)检测结果一致ꎬ证明所
采集的样品中确实含有 PVY、TMV、CMV 和 TVB ̄
MVꎮ BrYV、TuYV 和 BWYV 需进行进一步 RT ̄
PCR试验检测是否含有这 3种病毒ꎮ 发现的一种新
病毒ꎬ其同源性与Mint virus 1最高ꎬ但低于 90%ꎮ
    常规的病毒检测方法主要有电镜法ꎬ酶联免疫
法(ELISA)ꎬ聚合酶链式反应法(PCR)ꎬ这些方法
在病毒检测和新病毒的发现中存在一定的缺陷ꎬ检
测病毒的范围也比较固定ꎬ对于新病毒的发现较困
难ꎮ RNA沉默是植物抗病毒的一种机制ꎮ 当病毒
入侵宿主细胞后ꎬRNA 病毒的基因组复制中间物
或 DNA病毒的 mRNA 转录产物间会形成双链
RNA(dsRNA)中间体ꎬ这些病毒的 dsRNA 会被细
胞内核酸内切酶 Dicer 识别并产生病毒的 siRNAꎮ
本研究利用这种植物抗病毒的机制对这些小干扰
RNA进行高通量测序ꎬ这些小干扰 RNA之间存在
相互重叠序列ꎬ并且能够被组装成较长的重叠群ꎮ
因此从病患的植物组织样本中提取出 RNAꎬ通过
筛选ꎬ建立小 RNA 文库ꎬ然后对小 RNA 进行测
序ꎬ并组装总小 RNA 来检测病毒和发现新病毒ꎮ
但值得注意的是ꎬ通过小 RNA 高通量测序和组装
鉴定未知的病毒都需要该病毒与已知的病毒有一
定的序列同源性ꎬ这也是利用该技术的主要弊端所
在ꎮ Wu等[5]利用这种方法发现多种果蝇携带的
新病毒ꎮ 我们用此方法发现了一种新病毒ꎬ其同源
性与Mint virus 1最高ꎬ但低于 90%ꎬ是否含有新病
毒以及新病毒的序列获得及病毒特性有待进一步
的实验证实ꎮ 关于症状、取样叶片部位、ELISA 检
测结果与 siRNA高通量测序技术检测烟草病毒的
一致性还需要我们进一步的分析进行实验研究ꎮ
参考文献
[1]   Gao R. Construction of an infectious cDNA clone of
Tobacco vein banding mosaic virus and its use for
cross ̄protectionꎬ protein over ̄expression and VIGS
[D] . Taian:Shandong Agricultural University (山东
农业大学)ꎬ 2012.
[2]   Ding Mꎬ Yang Cꎬ Zhang Lꎬ et al. Occurrence of Chilli
veinal mottle virus in Nicotiana tabacum in Yunnanꎬ
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2011ꎬ 95(11): 1483.
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责任编辑:曾晓葳   
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