袁彧偉,付崇毅,孫平平,馬 強(qiáng),張 斌,李正男,張 磊
(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010018;2 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010031;3 內(nèi)蒙古師范大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010022)
蘋果銹果類病毒(apple scar skin viroid,ASSVd)屬于馬鈴薯紡錘塊莖類病毒科(Pospiviroidae)蘋果銹果類病毒屬(Apscarviroid)成員[1]。ASSVd基因組為單鏈環(huán)狀RNA,全長(zhǎng)329~334 nt,具有棒狀或擬桿狀的二級(jí)結(jié)構(gòu),可分為左末端區(qū)(left terminal domain,TL)、致病區(qū)(pathogenicity domian,P)、中央保守區(qū)(central domain,C)、可變區(qū)(variable domain,V)和右末端區(qū)(right terminal domain,TR)5個(gè)結(jié)構(gòu)域,其中可變區(qū)(V)與ASSVd在不同植物寄主上引起的癥狀差異有關(guān)[2]。ASSVd具有自我復(fù)制功能,但不編碼蛋白,而是依賴寄主的蛋白來(lái)完成轉(zhuǎn)運(yùn)、復(fù)制和致病等功能。早在20世紀(jì)30年代,Ohtsuka等在中國(guó)種植的國(guó)光蘋果上發(fā)現(xiàn)了蘋果銹果病[3]。1985年,陳煒等[4]從中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院鄭州果樹(shù)所、北戴河海濱園藝場(chǎng)和西山園藝場(chǎng)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所等地采集的表現(xiàn)為銹果、裂果的國(guó)光、雞冠和白龍等蘋果樣品中檢測(cè)到了環(huán)狀RNA分子,這是國(guó)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)ASSVd的RNA。1987年,Hashimoto等[5]首次報(bào)道了全長(zhǎng)為329 nt的ASSVd日本分離物完整基因組序列。越來(lái)越多的研究證明,ASSVd在世界范圍內(nèi)廣泛分布。20世紀(jì)50年代曾在美國(guó)蘋果園出現(xiàn)的“蘋果斑紋病”,后又陸續(xù)出現(xiàn)的中國(guó)梨樹(shù)“梨銹皮病”、“梨皺果病”,以及給日本造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的“日本梨凹果病”等,均與ASSVd有關(guān)[6-8]。
ASSVd侵染蘋果可引起蘋果銹果病和蘋果花臉病,癥狀主要表現(xiàn)在果實(shí)上,包括果皮表面著色不均勻、出現(xiàn)斑紋或鐵銹狀斑,果實(shí)畸形、開(kāi)裂等,不僅影響蘋果產(chǎn)量,而且還影響蘋果品質(zhì),給蘋果產(chǎn)業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。除此之外,ASSVd還可危害梨(Pyruscommunis)、桃(Prunuspersica)、杏(Prunusarmeniaca)、野櫻桃(Prunuscerasoides)等果樹(shù),導(dǎo)致其果實(shí)表面出現(xiàn)瘢痕、斑紋,失去商品價(jià)值,具體癥狀與果樹(shù)品種有關(guān)[9-12]。Walia等[13]通過(guò)構(gòu)建ASSVd的侵染性克隆,證明ASSVd還可以侵染黃瓜(Cucumissativus)、番茄(Solanumlycopersicum)、菜豆(Phaseolusvulgaris)、豌豆(Pisumsativum)、茄子(Solanummelongena)、本氏煙(Nicotianabenthamiana)、心葉煙(Nicotianaglutinosa)、普通煙(Nicotianatabacum)、昆諾黎(Chenopodiumquinoa)等草本寄主,其中侵染黃瓜后可導(dǎo)致黃瓜植株輕度發(fā)育不良和葉片褪綠,侵染菜豆后導(dǎo)致菜豆植株葉片脈間褪綠等癥狀,但其他草本寄主均未表現(xiàn)癥狀。ASSVd主要通過(guò)嫁接和機(jī)械摩擦傳播,但在蘋果和梨上發(fā)現(xiàn)種子可以帶毒[14],已有研究發(fā)現(xiàn)溫室白粉虱(Trialeurodesvaporariorum)可將ASSVd裸露的RNA傳播給黃瓜、番茄、菜豆等草本植物[15]。
一直以來(lái),ASSVd都是阻礙我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的主要病原物之一。樹(shù)體一旦感染ASSVd將終身帶毒,即使根除感病果樹(shù),果園中仍會(huì)再次出現(xiàn)果樹(shù)發(fā)病的現(xiàn)象,這一問(wèn)題在遼寧[16]、山東[17]、河北[18]、新疆[19]、陜西[20]等地均有報(bào)道。內(nèi)蒙古自治區(qū)屬于我國(guó)東北冷寒蘋果產(chǎn)區(qū),主要栽培蘋果有雞心果、黃太平、金紅等小蘋果,在赤峰等地還有寒富和富士等大蘋果,近年來(lái)已經(jīng)有ASSVd在內(nèi)蒙古地區(qū)雞心果上發(fā)生的報(bào)道[18],但在金紅和黃太平蘋果品種上尚無(wú)ASSVd發(fā)生的報(bào)道。本研究在內(nèi)蒙古自治區(qū)園藝研究院實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)表現(xiàn)花臉癥狀的金紅蘋果上檢測(cè)到ASSVd的發(fā)生,克隆測(cè)序了其全長(zhǎng)基因組,并對(duì)其核苷酸序列進(jìn)行分析,以期為蘋果銹果類病毒的有效防控提供參考。
2020年8月,在內(nèi)蒙古自治區(qū)園藝研究院實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)的8株金紅蘋果樹(shù)中,發(fā)現(xiàn)有3株果實(shí)表現(xiàn)出花臉癥狀(圖1),采集3株有花臉癥狀和2株果面正常的金紅蘋果葉片,用錫箔紙包裹,液氮速凍后立刻帶回實(shí)驗(yàn)室,保存于-80 ℃冰箱備用。
SpectrumTMPlant Total RNA Kit,購(gòu)自Sigma公司;PrimeScriptTMⅡ 1st Strand cDNA Synthesis Kit、EscherichiacoliJM109 Competent Cells等,購(gòu)自TaKaRa公司;零背景pTOPO-TA 克隆試劑盒,購(gòu)自北京艾德萊生物科技有限公司;2×M5 Hiper超光速mix,購(gòu)自北京聚合美生物科技有限公司;E.Z.N.A.?Gel Extraction Kit,購(gòu)自O(shè)mega公司;其他生化試劑及普通化學(xué)試劑均為進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)分析純,購(gòu)自天根生物有限公司;引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
1.2.1 總RNA提取及cDNA第一鏈合成 利用SpectrumTMPlant Total RNA Kit從采集的花臉癥狀和正常金紅蘋果葉片樣品中提取植物總RNA,提取方法參照試劑盒說(shuō)明書(shū)??俁NA經(jīng)Nano-300微量分光光度計(jì)(杭州奧盛儀器有限公司)測(cè)定濃度和純度,通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)完整性后保存于-80 ℃冰箱中備用。以獲得的總RNA為模板合成cDNA第一鏈,反轉(zhuǎn)錄體系:以1 μg植物總RNA為模板,Ramdom 6 primer(50 μmol/L)為引物,加入1 μL dNTP Mix(10 mmol/L),用RNase free dH2O補(bǔ)足至10 μL,65 ℃ 5 min,冰置2 min。變性后在反應(yīng)液內(nèi)再加入4 μL 5×PrimeScript Ⅱ Buffer、0.5 μL RNase Inhibitor(40 U/μL)、1 μL PrimeScript Ⅱ RTase(200 U/μL),用RNase free H2O補(bǔ)足至20 μL。反應(yīng)程序:30 ℃ 10 min,42 ℃ 30 min,95 ℃ 5 min。反應(yīng)結(jié)束后將獲得的cDNA置于-20 ℃保存。
1.2.2 RT-PCR檢測(cè)及全長(zhǎng)基因組擴(kuò)增 根據(jù)NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中211條ASSVd基因組信息,設(shè)計(jì)1對(duì)用于檢測(cè)和擴(kuò)增ASSVd基因組的引物,上游引物ASSf:GGTAAACACCGTGCGGTCCC,下游引物ASSr:GGGAAACACCTATTGTGTTT,退火溫度52 ℃,目標(biāo)片段長(zhǎng)330 bp。
用反轉(zhuǎn)錄合成的cDNA為模板進(jìn)行ASSVd的RT-PCR檢測(cè),以ASSf、ASSr為引物,反應(yīng)體系:2×M5 Hiper超光速mix 10 μL,上游引物ASSf 1 μL,下游引物ASSr 1 μL,cDNA模板2 μL,用RNase free H2O補(bǔ)足至20 μL。PCR反應(yīng)程序:95 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性30 s,52 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,循環(huán)35次;72 ℃延伸5 min。PCR產(chǎn)物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行分離,在紫外燈下切取目標(biāo)片段,用E.Z.N.A.?Gel Extraction Kit試劑盒回收純化目的片段。利用TA克隆試劑盒將目的片段連接到pTOPO-T克隆載體上,轉(zhuǎn)化EscherichiacoliJM109 Competent Cells,經(jīng)菌液PCR鑒定后挑選陽(yáng)性克隆送至華大基因科技有限公司進(jìn)行測(cè)序。
1.2.3 序列分析與系統(tǒng)發(fā)育分析 將得到的ASSVd全長(zhǎng)序列通過(guò)NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)的Blastn程序進(jìn)行同源性搜索,再?gòu)腉enBank數(shù)據(jù)庫(kù)中下載具有代表性的ASSVd分離物序列,用于后續(xù)一致性分析和系統(tǒng)發(fā)育分析?;谌L(zhǎng)基因組核苷酸序列,用MEGA 6.0軟件對(duì)本試驗(yàn)獲得的ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物以及從NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中下載的來(lái)自不同地區(qū)和不同寄主的15個(gè)ASSVd分離物進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,采用鄰接法構(gòu)建進(jìn)化樹(shù),以蘋果凹果類病毒(apple dimple fruit viroid,ADFVd)意大利坎帕尼亞蘋果分離物作為外群,自展值設(shè)為1 000。用于分析的ASSVd及ADFVd分離物基因組序列信息如表1所示。
表1 用于系統(tǒng)發(fā)育分析與核酸一致性分析的ASSVd和ADFVd分離物基因組序列Table 1 Sequences of ASSVd and ADFVd genome used for phylogenetic and identity analyses
1.2.4 多重對(duì)比分析 研究表明,ASSVd基因組中的核苷酸位點(diǎn)插入、缺失、替換等變異主要集中在致病區(qū),且各位點(diǎn)是否發(fā)生變異與寄主的種類有關(guān)[21]。因此利用DNAMAN軟件,對(duì)獲得的ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與不同地區(qū)、不同寄主種類的ASSVd分離物進(jìn)行序列多重對(duì)比分析。
1.2.5 RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) ASSVd基因組為閉合環(huán)狀RNA,容易形成棒狀二級(jí)結(jié)構(gòu)。利用RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)線上分析工具RNA Folding Form對(duì)ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物的基因組二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物的RT-PCR檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。
從表現(xiàn)花臉癥狀的金紅蘋果葉片樣品中提取植物總RNA,經(jīng)反轉(zhuǎn)錄后得到cDNA,以cDNA為模板擴(kuò)增到長(zhǎng)約330 bp的條帶,與目標(biāo)片段大小一致,2株果面健康的蘋果葉片樣品中沒(méi)有獲得任何PCR產(chǎn)物(圖2)。
將3個(gè)PCR檢測(cè)為陽(yáng)性的樣品分別送3個(gè)陽(yáng)性克隆至華大基因科技有限公司進(jìn)行測(cè)序,結(jié)果顯示,9個(gè)陽(yáng)性克隆之間的一致性為100%,所以選擇其中1條序列進(jìn)行后續(xù)分析。將序列提交至NCBI,獲得GenBank登錄號(hào)為MZ476527。將獲得序列通過(guò)Blastn程序進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)其與ASSVd新疆梨分離物(JX861258)的一致性最高,為97.9%,表明花臉癥狀的金紅蘋果確實(shí)感染了ASSVd。從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載具有代表性,且分布不同地區(qū)和不同寄主種類的ASSVd分離物全基因組序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3顯示,所有ASSVd分離物分成2個(gè)組群,外群蘋果凹果類病毒為一個(gè)獨(dú)立的組群,ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與新疆梨分離物(JX861258)、內(nèi)蒙古塞外紅蘋果分離物(MN598205)、北京蘋果分離物(HQ840722)、山東蘋果分離物(KY963660)、新疆庫(kù)爾勒蘋果分離物(KC110859)、內(nèi)蒙古塞外紅蘋果分離物(MN598204)和加拿大蘋果分離物(X71599)聚集在一個(gè)組群內(nèi),其中ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與新疆梨分離物(JX861258)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系最近,與內(nèi)蒙古塞外紅蘋果分離物(MN598205)次之。ASSVd分離物的系統(tǒng)進(jìn)化分析顯示,其系統(tǒng)發(fā)育與地理來(lái)源和寄主種類的相關(guān)性不大。
本研究獲得的ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載的其他15個(gè)ASSVd分離物的基因組核苷酸序列一致性為87.5%~97.9%,其中ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與新疆梨分離物(JX861258)的核苷酸一致性最高,為97.9%,與內(nèi)蒙古塞外紅蘋果分離物(MN598204)的核苷酸一致性最低,為87.5%。選擇部分具有代表性的ASSVd分離物,利用DNAMAN軟件與本研究獲得的ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物進(jìn)行序列多重對(duì)比分析,結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知,ASSVd各分離物之間的核苷酸一致性較高,左末端區(qū)和中央保守區(qū)的保守區(qū)域同源性都很高。第39~53位核苷酸和第244~263位核苷酸是變異較大的2個(gè)區(qū)域,且均集中在基因組的致病區(qū)及與其相鄰區(qū)域的連接處,具體為左末端區(qū)、致病區(qū)和中央保守區(qū)。
參照劉娟[21]、劉洪玉等[22]、陳冉冉等[23]的研究,以Puchta等[24]1990年在中國(guó)蘋果上獲得的ASSVd分離物全長(zhǎng)序列(NC001340)為標(biāo)準(zhǔn)序列,將ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物序列(MZ476527)與其進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),2個(gè)分離物序列之間的一致性為91.1%,共有38個(gè)核苷酸位點(diǎn)發(fā)生變異(圖5)。由圖5可知,獲得序列中有33個(gè)核苷酸位點(diǎn)發(fā)生替換,2個(gè)核苷酸位點(diǎn)缺失(G115,C254),3個(gè)核苷酸位點(diǎn)插入(A124,T177,C210),且主要集中在中央保守區(qū)、可變區(qū)和右末端區(qū)。但是這種對(duì)比方法適用于劉娟[21]在獲得多條ASSVd全長(zhǎng)序列或多個(gè)ASSVd分離物時(shí)進(jìn)行分析,所以本試驗(yàn)只就多重對(duì)比分析結(jié)果進(jìn)行討論。
利用RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)在線預(yù)測(cè)工具RNA Folding Form,導(dǎo)入本試驗(yàn)獲得的ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物全基因組序列,選擇環(huán)狀RNA,其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置,預(yù)測(cè)結(jié)果(圖6)表明,自由能為-499.49 kJ/mol。ASSVd的基因組為環(huán)狀單鏈RNA,容易形成穩(wěn)定的桿狀二級(jí)結(jié)構(gòu),且其中有許多“環(huán)”。
與其他馬鈴薯紡錘塊莖類病毒科的類病毒相比,ASSVd缺少中央保守區(qū)域的GAAAC序列,并且與他們的序列同源性也很低[5]。馬鈴薯紡錘塊莖類病毒(potato spindle tuber viroid,PSTVd)和ASSVd同屬于馬鈴薯紡錘塊莖類病毒科,是馬鈴薯紡錘塊莖類病毒屬(Pospiviroid)的代表種。PSTVd與ASSVd在部分區(qū)域存在同源序列,研究證明其RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)上的“環(huán)”對(duì)于PSTVd的復(fù)制和轉(zhuǎn)運(yùn)極其重要,并且5個(gè)結(jié)構(gòu)域都與癥狀的表達(dá)有關(guān)[25]。有研究者認(rèn)為,ASSVd的二級(jí)結(jié)構(gòu)可能也有同樣的作用[17],但還需要更深入的研究來(lái)證明[17]。PSTVd的中央保守區(qū)形成穩(wěn)定的雙相結(jié)構(gòu),可以折疊成一個(gè)具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的PSTVd分子,認(rèn)為其是類病毒復(fù)制中間體加工的關(guān)鍵,在PSTVd及其他類病毒的復(fù)制和加工中發(fā)揮著重要作用,但在ASSVd上的類似功能仍然不確定,還需要對(duì)ASSVd的二級(jí)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步研究。
本研究系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明,獲得的ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與新疆梨分離物(JX861258)的親緣關(guān)系最近,核苷酸序列一致性也最高,為97.9%;其次是內(nèi)蒙古塞外紅蘋果分離物(MN598205),二者序列一致性為97.0%。本試驗(yàn)所采集的感病金紅樣品來(lái)自呼和浩特市,而感病塞外紅蘋果來(lái)自通遼市,兩者的砧木同為山定子(MalusbaccataBorkh.),但本試驗(yàn)所用金紅已有18年樹(shù)齡,獲得的ASSVd分離物是否是由感病植物材料的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸導(dǎo)致的,目前還不能確定。將本試驗(yàn)獲得的ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與來(lái)自不同地區(qū)和不同寄主種類的ASSVd分離物進(jìn)行多重對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),變異位點(diǎn)主要集中在RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的左末端區(qū)、致病區(qū)和中央保守區(qū),這與劉洪玉等[22]對(duì)ASSVd山東舞美蘋果分離物、張富軍等[17]對(duì)ASSVd山東火焰海棠蘋果分離物、趙玲玲等[26]對(duì)ASSVd煙臺(tái)富士蘋果分離物的研究結(jié)果一致,但與Yazarlou等[27]“ASSVd變異位點(diǎn)集中在左端區(qū)、致病區(qū)和右端區(qū)”的研究結(jié)果稍有出入。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果與序列對(duì)比結(jié)果一致,ASSVd內(nèi)蒙古金紅分離物與山東蘋果分離物(KY963660)在同一個(gè)組群中,而伊朗蘋果分離物(HQ326090)在另一個(gè)組群。印度學(xué)者Walia等[13]用構(gòu)建的ASSVd侵染性克隆成功侵染黃瓜并表現(xiàn)癥狀后,通過(guò)單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析發(fā)現(xiàn),從被侵染黃瓜中獲得的類病毒子代中存在4種類型的序列變異,形成了V1、V2、V3、V4 4個(gè)變種。其中V1和V3屬于優(yōu)勢(shì)變種,在草本寄主黃瓜上的侵染力和癥狀表達(dá)存在差異;V1與野生型ASSVd的同源性為96%,兩者間的差異主要體現(xiàn)在二級(jí)結(jié)構(gòu)致病區(qū)的10個(gè)核苷酸位點(diǎn),并且這些核苷酸位點(diǎn)的變化導(dǎo)致了V1二級(jí)結(jié)構(gòu)左端區(qū)第9個(gè)“環(huán)”發(fā)生了改變。查富蓉[28]通過(guò)對(duì)山東、山西、遼寧等地不同蘋果品種的ASSVd分離物序列進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)10個(gè)特異性的變異位點(diǎn),并且部分中國(guó)分離物會(huì)聚成一個(gè)獨(dú)特的組群。ASSVd某些核苷酸位點(diǎn)的變異會(huì)導(dǎo)致二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化,這可能與抵抗寄主的防御機(jī)制或增強(qiáng)對(duì)新寄主的適應(yīng)能力有關(guān),也可能與不同分離物的系統(tǒng)發(fā)育分支結(jié)果有關(guān)。本試驗(yàn)所獲得的分離物序列樣本較少,要進(jìn)行深入研究還需要更多的序列對(duì)比結(jié)果。
內(nèi)蒙古屬于我國(guó)東北冷寒蘋果產(chǎn)區(qū),主栽蘋果品種具有較強(qiáng)耐寒性、抗旱性,其中小蘋果是極具地方特色,深受消費(fèi)者喜愛(ài)的一類蘋果,因其果形小、果質(zhì)量小而稱為小蘋果。2013年郝璐等[29]在北京蘋果園首次發(fā)現(xiàn)小蘋果被ASSVd侵染,后續(xù)Li等[18]在內(nèi)蒙古、河北、遼寧等地種植的小蘋果塞外紅上也檢測(cè)到ASSVd。本研究在內(nèi)蒙古表現(xiàn)花臉的金紅蘋果上也檢測(cè)到ASSVd。ASSVd主要靠嫁接傳播,侵染果樹(shù)后有一定的潛伏期,感病果樹(shù)可能不會(huì)立即顯癥,因此需要通過(guò)嚴(yán)把植物材料轉(zhuǎn)運(yùn)檢疫關(guān),嫁接時(shí)注意工具的消毒,以及利用植物病毒檢測(cè)技術(shù)加強(qiáng)對(duì)蘋果產(chǎn)區(qū)各果園內(nèi)ASSVd的監(jiān)測(cè)等手段來(lái)進(jìn)行防控。