免费文献传递   相关文献

Detection of viruses infecting Wisteria sinensis by deep sequencing and assembly of small RNA

利用小RNA深度测序和组装技术鉴定紫藤花叶病病原



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  45(1): 88 ̄92(2015)
收稿日期: 2014 ̄03 ̄01ꎻ 修回日期: 2014 ̄10 ̄09
基金项目: 质检公益性行业科研专项项目(201310068)ꎻ 浙江省重中之重林学一级学科开放基金项目(KF201330)ꎻ 浙江农林大学科研发
展基金项目(2013FK019)
通讯作者: 周雪平ꎬ教授ꎬ主要从事植物病毒学研究ꎻ E ̄mail:zzhou@zju.edu.cnꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2015.01.013
􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃
􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃
􀤃
􀦃 􀦃
􀦃
􀦃
研究简报
利用小 RNA深度测序和组装技术鉴定紫藤花叶病病原
苏 秀1ꎬ2ꎬ 徐 毅1ꎬ 陈 莎1ꎬ 傅 帅1ꎬ 钱亚娟1ꎬ 张立钦2ꎬ 周雪平1∗
( 1浙江大学生物技术研究所ꎬ杭州 310058ꎻ 2浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室培育基地ꎬ临安 311300)
Detection of viruses infecting Wisteria sinensis by deep sequencing and assembly
of small RNA  SU Xiu1ꎬ2ꎬ XU Yi1ꎬ CHEN Sha1ꎬ FU Shuai1ꎬ QIAN Ya ̄juan1ꎬZHANG Li ̄qin2ꎬ ZHOU
Xue ̄ping1   ( 1 Institute of Biotechnologyꎬ Zhejiang Universityꎬ Hangzhou 310058ꎬ Chinaꎻ 2The Nurturing Station for the State
Key Laboratory of Subtropical Silvicultureꎬ Zhejiang Agriculture and Forestry Universityꎬ Lin’an 311300ꎬ China )
Abstract: Plant defense against viruses through small RNA (sRNA) mediated RNA interference mechanism.
Analysis of virus derived sRNA profiles in plant can be applied for de novo assembly of virus genomes and virus
identification. In this studyꎬ suspected virus ̄infected Wisteria sinensis samples collected from Zijingang Campus
of Zhejiang University were used for sRNA library construction and deep sequencing. After assembly of total
sRNAsꎬ it was found that W. sinensis leaves were infected by Wisteria vein mosaic virus (WVMV) . The library
generated 18. 9 million sRNA readsꎬ of which 0. 32 million were WVMV ̄derived sRNAs. Using de novo
assemblyꎬ 23.3% of full length genome nucleotide sequence of a previously reported potyvirus WVMV was
obtained. To confirm the existence of WVMV in the samplesꎬ WVMV coat protein (CP) gene sequence was
obtained by RT ̄PCRꎬ and ensured by Sanger sequencing. Taken togetherꎬ the data suggest that sRNA deep
sequencing technology is an efficient and powerful genetic tool for virus identification in woody plants.
Key words: small RNAꎻ Wisteria vein mosaic virusꎻ deep sequencing
文章编号: 0412 ̄0914(2015)01 ̄0088 ̄05
    RNA沉默(RNA silencing)是一种在真核生物
体内普遍保守的基于核酸序列特异性抑制基因表达
的调控机制[1]ꎮ 2009年 Kreuze 等[2]发现病毒特异
的小 RNA(small RNAꎬ sRNA)在序列上是重叠的ꎬ
因此推测通过深度测序技术获得的大量 sRNA序列
能用来组装病毒的基因组并用来鉴定和发现新病
毒ꎮ 利用 sRNA深度测序技术已在作物和昆虫上鉴
定发现多种病毒[3、4]ꎬ但在木本植物上还未见报道ꎮ
    紫藤(Wisteria sinensis)是城市园林绿化美化
的主要植物ꎬ在公园、校园、庭院等地普遍种植ꎮ 由
紫藤花叶病毒引起的紫藤花叶病在捷克、意大利、
荷兰、美国、波兰、德国等都有发生ꎬ已成为一种世
界性的病害ꎮ 紫藤花叶病主要表现花叶、斑驳、黄
化、脉明等症状ꎬ感病紫藤开花能力明显下降ꎬ严重
影响其观赏性和经济价值ꎮ 2006 年 Fan 等[5]报道
了紫藤脉花叶病毒北京分离物(WVMV ̄BJ)的全
序列ꎬ并证实 WVMV ̄BJ 是 Potyvirus 中的一种新
病毒ꎮ 本文利用深度测序技术对采自浙江的紫藤
花叶病病原进行了鉴定ꎮ
1  材料与方法
1.1  材料来源
    表现花叶症状的紫藤病叶采自浙江大学紫金
 
  1期 苏 秀ꎬ等:利用小 RNA深度测序和组装技术鉴定紫藤花叶病病原
港校区校园内ꎮ 感病紫藤叶片表现褪绿、花叶、斑
驳、黄化、脉明、叶片变小、卷曲等症状ꎬ并出现小的
星状斑ꎬ褪绿部分生长较慢ꎬ致使叶片畸形(图 1)ꎮ
Fig. 1   Wisteria sinensis leaves showing
chlorotic spotsꎬ blotches and leaf
distortion
1.2  植物总 RNA提取和 sRNA纯化
    采集的样品用 Tiangen miRcute miRNA 提取
分离试剂盒提取总 RNAꎬ操作步骤参照说明书进
行ꎬ然后运用醋酸锂和聚乙二醇法(LiAC / PEG)分
离其中的 sRNAꎬ经 15%的 PAGE分离切割 18~ 28
nt 的 sRNAꎮ
1.3  sRNA的 Solexa深度测序
    上述 sRNA样品送至上海美吉生物医药科技
有限公司进行测序ꎮ 测序流程:运用 TaKaRa small
RNA cloning kit (DRR065) 将分离的 18~28 nt的
sRNA分别在 3′端和 5′端加上接头ꎻ随机引物反转
录获得 cDNA 第一链ꎻPCR 富集ꎻ产物回收(6%
Novex TBE PAGE gelꎬ1.0 mmꎬ10 well)ꎻTBS380
(Picogreen)定量ꎬ按数据比例混合上机ꎻcBot 上桥
式扩增ꎬ 生成 clustersꎻ 运用 Illumia Solexa 的
Hiseq2000测序平台ꎬ进行 1×50 bp测序试验ꎮ
1.4  Solexa测序数据的预处理
    运用生物信息学手段对原始数据进行处理:去
接头序列ꎬ去污染序列ꎬ去低质量碱基ꎬ去未插入 3′
接头、5′接头的 readsꎬ获得不含接头序列的 sRNA序
列ꎬ在此基础上筛选出 18~28 nt的 sRNA序列ꎮ
1.5  测序数据的序列拼接、BLAST 分析及病毒相
关序列的筛查
    用 Velvet软件对上述 18~ 28 nt sRNA 进行序
列拼接ꎬ得到的 contigs 用 BLAST (Basic Local
Alignment Search Tool) 进行比对并注释ꎬ经过
BLAST同源比对筛查到与紫藤脉花叶病毒北京分
离物(WVMV ̄BJꎬGenBank 登录号 AY686816)同
源ꎮ 以WVMV ̄BJ 为参考基因组ꎬ应用生物信息
手段比对得到病毒来源的 sRNAꎬ并对产生 sRNA
的热点区进行统计ꎮ
1.6  RT ̄PCR扩增、克隆及序列分析
    提取植物总 RNAꎬ采用 TaKaRa 公司的 RNA
Reverse PCR Kit (AMV) 反转录成 cDNAꎬ以 cD ̄
NA为模板ꎬ利用根据拼接到的序列设计的特异性
引物和 Phusion 超保真 PCR 试剂盒(NEB公司)进
行 PCR 扩增ꎬPCR 产物纯化后连接到 PZeroBack
载体(Tiangen)ꎬ并转化 E. coli 菌株 DH5α 感受态
细胞ꎬ涂布于含氨苄青霉素的 LB 平板上ꎬ培养过
夜后挑选单菌落ꎬ用 Taq 酶 PCR 扩增鉴定阳性克
隆ꎬ随机挑取 2 个阳性克隆送 Invitrogen 公司进行
测序ꎬ获得的序列利用 BLAST进行比较分析ꎮ
2  结果
2.1  感病紫藤叶片 sRNAs高通量测序结果
    感病紫藤叶片经总 RNA提取ꎬsRNA分离、纯化
和 Solexa测序后得到 18 902 046个 readsꎬ经过 Solexa
pipeline加工后ꎬ得到介于 18~28 nt 之间的 reads 为
4 673 447个ꎬ占总 sRNA reads数量的 24.72%ꎮ
2.2  WVMV来源 sRNAs (vsiRNAs)数据分析
    以 WVMV ̄BJ 为参考基因组ꎬ将上述经过筛
选的 4 673 447个 reads进行本地 BLASTt分析ꎬ在
不包含重复序列的情况下ꎬ获得与参考基因组完全
匹配的 reads共 9 868个、允许 1个错配的 reads共
45 510个、允许 2 个错配的 reads 共 113 932 个ꎮ
重点分析了允许 1个错配的情况ꎮ 一共有 315 123
个 reads(包含重复序列)与 WVMV ̄BJ 匹配ꎬ其中
20 ~ 24 nt vsiRNA 数量分别为 7 410、 195 697、
99 536、2 950 和 1 208 个ꎬ其他长度的 vsiRNA 数
98
 
植物病理学报 45卷
量为 8 402个ꎮ 有 1 794 681个来自正义链ꎬ135 655
个来自负义链ꎮ
    通过对不同长度的 vsiRNA 的读数百分比分
析(图 2)ꎬ可以看出 21 nt和 22 nt大小的 sRNA占
主要部分ꎮ 不同长度 sRNA 占总数的百分比分别
为:20 nt 2.35%、21 nt 62.10%、22 nt 31.59%、23 nt
0.94%、24 nt 0.38%ꎬ其他长度占 2.67%ꎮ 由此可
见ꎬvsiRNA以 21 nt和 22 nt大小为主ꎬ可以推测紫
藤的 DCL4和 DCL2在抗病毒中起了主要的作用ꎮ
Fig. 2   Size distribution of WVMV ̄derived
sRNAs
    将 vsiRNAs 根据来自 WVMV 的正义链还是
负义链进行分析ꎬ发现来自正义链的(57%)略高
于来自负链的 ( 43%)ꎮ WVMV 属于单链正义
RNA病毒ꎬ其基因组正义链含量远高于互补链ꎬ而
产生的 sRNA比例比较接近ꎬ揭示 WVMV 复制过
程中产生的双链 RNA中间体可能是 sRNA产生的
主要来源ꎮ
    通过对WVMV来源 sRNAs 的 5′端起始核苷
酸碱基分析 (图 3) 发现ꎬ总的 WVMV 来源的
sRNAs中ꎬ5′端起始核苷酸碱基以“U”、“G”、“C”、
“A”开头的比例分别是 28.96%、20.29%、19.03%
和 31.70%ꎬ以“A”或“U”开头的 sRNAs 要比以
“G”或“C”开头的多ꎬ并且在不同长度的sRNAs中
也遵循这样的规律ꎮ 这与受侵染拟南芥植株中
TMV ̄Cg来源的 21 nt sRNAs 的 5′端起始核苷酸
碱基分布一致ꎮ 研究证实ꎬ拟南芥中不同的 AGO
蛋白在招募内源 sRNA 时ꎬ对其 5′端起始核苷酸碱
基具有不同的偏好性ꎻ然而ꎬ在紫藤与病毒的互作
过程中ꎬAGO蛋白在招募 sRNAs 时是否也遵循同
样的规律还需进一步的研究ꎮ
    利用基于 Perl语言脚本的程序分析了WVMV
来源 sRNA在寄主中的热点分布(图 4)ꎮ 从紫藤
叶片分离到的来源于 WVMV 的 sRNA 特异序列
几乎覆盖了该病毒的全基因组ꎬ但在某些特定的区
域ꎬ也称为热点(hotspots)区ꎬ各个 sRNA序列出现
的频率比较集中ꎮ 在 WVMV 基因组的 2 600 ~
2 700、2 900~3 050、5 900 ~ 6 000、7 800 ~ 7 900 以
及 9 200~9 500 位置 sRNA出现的频率较高ꎬ尤其
是在 9 300~9 390区域ꎬsRNA总量达到 4 230 个ꎬ
并且大部分来自病毒的正义链ꎬ说明该位点可能存
在典型的 RNA双链结构ꎮ
Fig. 3  WVMV ̄derived sRNAs 5′terminal nucleotide preference
09
 
  1期 苏 秀ꎬ等:利用小 RNA深度测序和组装技术鉴定紫藤花叶病病原
Fig. 4  Polarity distribution of WVMV ̄derived sRNAs
Fig. 5  Position and distribution of WVMV sRNA contigs
The different colors of contigs represent the sequence homology with reference WVMV ̄BJ genome.
Red means highest homologyꎬ followed by pink and green.
2.3  WVMV的 RT ̄PCR验证
    用 velvet软件对 18 ~ 28 nt sRNA 进行序列组
装拼接ꎬ共得到 894条 contigsꎬ共有 23条序列与已
知的 WVMV ̄BJ 序列匹配ꎬ总长 2 254 ntꎬ占
WVMV ̄BJ基因组全长 (9 695 nt)的 23. 3% (图
5)ꎮ 根据拼接到的序列设计特异引物ꎬ用 RT ̄PCR
方法ꎬ从测序样品的总 RNA中克隆到 971 bp 的片
段ꎬ经测序及同源比对分析ꎬ与 WVMV ̄BJ 病毒序
列相似性为 87%ꎬ这段序列编码 WVMV 的 CP 基
因(GenBank登录号 KJ836282)ꎮ 根据 ICTV 对马
铃薯 Y病毒属病毒命名的规定ꎬ此分离物与已知
的WVMV ̄BJ是同一种病毒ꎮ
3  讨论
    传统的植物病毒检测需要对病毒进行纯化和
分离ꎬ对样品纯化要求较高ꎬ且需要对病原的生物
学特性、理化特性、基因组特性、血清学特性等有预
先的了解ꎬ对于未知病原ꎬ这些检测方法的使用就
受到了极大限制ꎬ需要较长的研究周期和繁琐的研
究过程ꎮ 木本植物上的病毒往往含量比较低ꎬ且很
难通过摩擦接种的方式进行人工接种ꎬ因此ꎬ传统
方法很难检测木本植物病毒ꎬ相关的研究报道很
少ꎮ
    已报道的紫藤花叶病毒北京分离物病原的鉴
定是在酶联免疫吸附试验(ELISA)基础上ꎬ通过 7
次逆转录 ̄聚合酶链反应 (RT ̄PCR)ꎬ并结合 5′
RACE等方法得到的[5]ꎮ 这些试验方法工作量很
大ꎬ耗时长ꎬ较难用于紫藤等木本植物的病毒检测
与鉴定ꎮ 本文利用小 RNA 深度测序和组装技术ꎬ
将分离自浙江的紫藤花叶病病原鉴定为 WVMVꎮ
深度测序技术的发展开辟了大规模快速诊断植物
病毒的途径ꎬsRNA深度测序已在许多植物的未知
病原鉴定中发挥了重要作用ꎮ 利用植物体内的
19
 
植物病理学报 45卷
sRNA病毒序列ꎬ大大提高了筛查木本植物病毒的
效率ꎮ 伴随着深度测序成本的降低ꎬsRNA 深度测
序将成为一种经济有效的可用于木本植物病毒鉴
定的方法ꎬ值得推广使用ꎮ
参考文献
[1]   Waterhouse P M. Gene silencing as an adaptive defense
against viruses [J] . Natureꎬ 2001ꎬ 411:834-842.
[2]   Kreuze J Fꎬ Perez Aꎬ Untiveros Mꎬ et al. Complete
viral genome sequence and discovery of novel viruses
by deep sequencing of small RNAs: A generic method
for diagnosisꎬ discovery and sequencing of viruses
[J] . Virologyꎬ 2009ꎬ 388(1):1-7.
[3]   Wu Qꎬ Luo Yꎬ Lu Rꎬ et al. Virus discovery by deep
sequencing and assembly of virus ̄derived small silen ̄
cing RNAs [J] . PNASꎬ 2010ꎬ 107(4):1606-1611.
[4]   Xu Yꎬ Huang Lꎬ Wang Zꎬ et al. Identification of
Himetobi P virus in the small brown planthopper by
deep sequencing and assembly of virus ̄derived small
interfering RNAs [ J ] . Virus Res.ꎬ 2013ꎬ 14: pii:
S0168-1702(13)00394-8.
[5]   Liang W Xꎬ Song L Mꎬ Tian G Zꎬ et al. The genomic
sequence of Wisteria vein mosaic virus and its similari ̄
ties with other potyviruses [ J] . Arch. Viro.ꎬ 2006ꎬ
151: 2311-2319.
责任编辑:于金枝
􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀤌
􀦌 􀦌
􀦌
􀦌
欢迎订阅«植物病理学报»
«植物病理学报»是中国植物病理学会主办的全国性学术刊物ꎬ“中国科技核心期刊”ꎮ 主要刊登
植物病理学各分支未经发表的专题评述、研究论文和研究简报等ꎬ以反映中国植物病理学的研究水平
和发展方向ꎬ推动学术交流ꎬ促进研究成果的推广和应用ꎮ
本刊现已被英国农业与生物技术文摘(CAB)、联合国粮农组织 AGRIS 等收录ꎮ 据«中国科技期
刊引证报告»(2014年版)统计结果ꎬ«植物病理学报»影响因子 0.832ꎮ 荣获首届«中国学术期刊检索
与评价数据规范»(CAJ ̄CD)执行优秀期刊奖、2012 中国国际影响力优秀学术期刊奖和 2013 百种中
国杰出学术期刊奖ꎮ
本刊为双月刊ꎬ每期定价 30元ꎬ全年 6期共 180元ꎮ
邮发代号: 82 ̄214ꎮ 欢迎投稿ꎬ欢迎订阅ꎮ
编辑部地址: 北京市海淀区圆明园西路 2号 中国农业大学农学楼 243室
邮编: 100193
电话: (010) 6273 2364
E ̄mail:zwblxb@ cau.edu.cnꎮ
29