大家好，這里是專注表觀組學(xué)十余年，領(lǐng)跑多組學(xué)科研服務(wù)的易基因。

 

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)通過(guò)簡(jiǎn)化生態(tài)系統(tǒng)、引入新宿主物種和減少作物遺傳多樣性來(lái)影響植物病毒的出現(xiàn)。因此，更好理解農(nóng)業(yè)生態(tài)中種植和未種植群落中的病毒分布，以及它們之間的病毒交換至關(guān)重要。2023年03月14日，《Microbiol Spectr》雜志發(fā)表了題為“Long-Term Anthropogenic Management and Associated Loss of Plant Diversity Deeply Impact Virome Richness and Composition of Poaceae Communities”的研究論文，研究通過(guò)對(duì)三種禾本科（Poaceae）群落類型進(jìn)行宏病毒組測(cè)序分析，揭示了長(zhǎng)期人為管理和植物多樣性破壞會(huì)嚴(yán)重影響禾本科植物群落的病毒組豐度和組成。

標(biāo)題：Long-Term Anthropogenic Management and Associated Loss of Plant Diversity Deeply Impact Virome Richness and Composition of Poaceae Communities（長(zhǎng)期人為管理和植物多樣性破壞會(huì)嚴(yán)重影響禾本科植物群落的病毒組豐度和組成）

期刊：Microbiology Spectrum

影響因子：IF 9.043

發(fā)表時(shí)間：2023.03.14

 

研究摘要：

本研究通過(guò)表征三種不同物種豐富度和管理強(qiáng)度梯度的禾本科群落類型的病毒組（從管理強(qiáng)度高的作物單一種植到管理強(qiáng)度低的物種豐富度高），從而推進(jìn)對(duì)這一領(lǐng)域的基本理解。研究人員在兩年多的時(shí)間里對(duì)950株草地野生和種植的禾本科植物進(jìn)行大規(guī)模研究，將非靶向病毒組（virome）分析與病毒種類水平結(jié)合，并靶向檢測(cè)三種植物病毒。

病毒宏基因組學(xué)的深度測(cè)序揭示了：

（i）多樣化且基本未知的禾本科植物病毒組（至少51種病毒物種或分類群），具有持久性病毒富集；

（ii）群落內(nèi)的病毒組豐度隨著物種豐富度的增加而增加；

（iii）病毒組豐度在不同時(shí)間比較穩(wěn)定，但病毒種類變異性大；

（iv）植物群落和物種之間病毒流行、多種感染和空間分布的對(duì)比模式。

研究結(jié)果突出了自然界中植物病毒群落的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并表明了人為管理對(duì)病毒分布和流行的影響。

 

研究重要性：

由于先前研究主要在種植植物中研究病毒，因此對(duì)人為管理較少植被中的病毒多樣性和生態(tài)學(xué)、人為管理和農(nóng)業(yè)對(duì)病毒組組成的影響知之甚少。由于禾本科（grass family）植物分布在世界各地的農(nóng)業(yè)生態(tài)梯度中，對(duì)糧食安全和保護(hù)至關(guān)重要，并且可能被多種病毒感染，因此以禾本科植物為主的群落為研究這些生態(tài)問(wèn)題提供了寶貴的機(jī)會(huì)。本研究利用多層次分析，同時(shí)考慮植物群落、單株植物、病毒種類和單倍型遺傳多樣性，以擴(kuò)大對(duì)禾本科植物病毒組的理解，并評(píng)估了研究區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)中宿主-寄生生物豐富度的關(guān)系。研究揭示了草地多樣性和土地利用對(duì)病毒群落組成及其生活史策略的影響，表明了管理較少的草地群落中植物-病毒互作的復(fù)雜性，如與理論預(yù)測(cè)相比，病毒流行率、多重病毒合并感染的比例更高。

 

研究方法

在2017和2018年兩年的時(shí)間，對(duì)相距10公里的3個(gè)地點(diǎn)（Antheit、Héron、Latinne）分別抽樣采集麥田（植物物種豐富度低，管理強(qiáng)度高）、集約化牧場(chǎng)（物種豐富度和管理強(qiáng)度均中等）和自然草地（物種豐富度高，管理強(qiáng)度低）的禾本科植物各50株；并在2018年采集了附近一塊具有真菌感染癥狀的麥田中的50株禾本科植物。對(duì)一共19次采集的樣品分別進(jìn)行病毒樣顆粒富集后提取總核酸（包括DNA和RNA病毒），進(jìn)行宏病毒組測(cè)序分析。

圖1：所研究的不同群落和地點(diǎn)的信息表（GPS位置、代碼、規(guī)模、歷史、農(nóng)業(yè)管理和干擾因素）。下圖為Antheit（a），Héron（B）和Latine（C）位置，主要分析了三個(gè)相鄰的生態(tài)系統(tǒng)：大麥或麥田（橙色）、集約化牧場(chǎng)（紫色）和物種豐富度高的草地（藍(lán)色）。2018年在Antheit對(duì)另一塊 6行的大麥田進(jìn)行采樣（綠色）。

 

結(jié)果

（1）病毒宏基因組測(cè)序揭示了禾本科植物中多樣化且大部分未知的病毒組

為評(píng)估每個(gè)群落中的病毒組，采樣了24個(gè)禾本科物種的950株植物，并對(duì)每個(gè)群落的50個(gè)樣本使用病毒宏基因組測(cè)序方法（virion-associated nucleic acids ,VANA）。文庫(kù)平均包含17.9%的病毒reads（從0%~78%）。由于在禾本科植物樣本中檢測(cè)到的外來(lái)靶序列（PLRV、BSV）平均占文庫(kù)中總reads的0.01%，因此觀察到低水平的交叉樣本污染，以此作為本研究的檢測(cè)閾值（不檢測(cè)低于此水平病毒）。組裝了51個(gè)共有植物病毒基因組（1496 - 13876?核苷酸(nt)長(zhǎng)度），覆蓋了在相應(yīng)屬或科中描述ORF中的47個(gè)。研究鑒定出四個(gè)不完整的病毒基因組（1497nt - 6785nt長(zhǎng)度）：Closterovirus病毒、Rymovirus病毒、Varicosavirus病毒、Amalgavirus病毒。這51種RNA病毒被比對(duì)到代表21個(gè)病毒屬的16個(gè)病毒家族（表1）。分析結(jié)果表明，超2/3的禾本科植物病毒組在很大程度上仍然未知（n=37），這些新病毒物種主要是在所有三種群落類型中均發(fā)現(xiàn)的持久性病毒和真菌病毒（3種novel alphachrysoviruses、10種novel Partitiviruses和13種novel totiviruses），不同時(shí)間的病毒組比較顯示，77%的病毒種類在兩個(gè)采樣年份都被檢測(cè)到（植物病毒為74%，真菌病毒為79%）。當(dāng)只考慮長(zhǎng)期植物群落（牧場(chǎng)和草地）時(shí)，這一值增加到85%。

表1：在禾本科植物群落（麥田、放牧牧場(chǎng)和割草草地）中檢測(cè)到的不同病毒科、屬和種

 

（2）禾本科植物群落與病毒組豐度或組成之間的關(guān)系

HTS的初步結(jié)果揭示了植物群落中病毒組豐度的對(duì)比水平。麥田、牧場(chǎng)和草地的病毒種類群豐度存在顯著差異（在病毒科、屬和種水平上，P<0.001，Kruskall-Wallis檢驗(yàn)）。在麥田中發(fā)現(xiàn)的病毒種類很少或根本沒(méi)有，而在更多樣化的群落中觀察到病毒組多樣化，在草地中檢測(cè)到的病毒種類多達(dá)22種（圖2）。牧場(chǎng)和草地在科和屬水平上的病毒組豐度沒(méi)有顯著差異（P=0.456和0.419，Mann-Whitney檢驗(yàn)）。但在物種水平上，草地的多樣性略高于牧場(chǎng)（Mann-Whitney檢驗(yàn)，P=0.078，排除HG1時(shí)P=0.010）。使用線性回歸模型來(lái)顯示植物物種豐富度和病毒組豐度之間的關(guān)系（病毒組=0.60?+?0.62植物種類，R2=74.3%，P=0.000），病毒屬豐富度（病毒屬=0.55+0.82植物種類，R2=72.9%，P=0.000），以及病毒物種豐富度（病毒物種=0.22+1.57植物種類，R2=76.0%，P=0.000）（圖2）。

圖2：2年間研究中植物群落（橙色圓麥田、紫色三角形牧場(chǎng)、藍(lán)色方塊草地）的禾本科植物物種豐富度與病毒種類豐富度之間的關(guān)系。2017年研究的Héron草地采用不同的割草管理，以紅色圓圈標(biāo)記。排除Héron草地進(jìn)一步將R2值從76.0%提高到88.2%。

 

禾本科植物群落中的病毒組組成通過(guò)對(duì)每個(gè)草地群落中鑒定的病毒種類進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析來(lái)可視化（圖3），并對(duì)草地和牧場(chǎng)的病毒和植物兩個(gè)維度進(jìn)行聚類分析，以突出任何群落聚類或病毒共生模式（圖4）。

圖3：對(duì)三個(gè)地點(diǎn)2年研究的禾本科植物群落（麥田、牧場(chǎng)、草地）中鑒定的病毒物種進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。病毒種類（紅色方塊）、植物群落（彩色球）。根據(jù)每個(gè)病毒物種（非持久性病毒、持久性病毒和真菌病毒）的假定方式著色。

 

圖4：植物和病毒兩個(gè)維度的分層聚類分析。列表示2017年(1)和2018年(2) 兩年間的不同地點(diǎn)（Antheit(A)，Héron(H)和Latine(L)）兩個(gè)不同的非種植禾本科植物群落分析（牧場(chǎng)(P)和草地(G)）。行表示檢測(cè)到的不同病毒種類。右側(cè)樹(shù)狀圖突出顯示了兩組主要的共生病毒組。

（3）在人為管理較少的植物群落中，病毒流行率和多重感染率更高

為完成禾本科植物庫(kù)病毒組組成提供的第一個(gè)生態(tài)信息，研究分析了3個(gè)樣品地塊內(nèi)的病毒流行率、病毒共感染和病毒分布。對(duì)2018年在Antheit地點(diǎn)采集的單株植物HTS檢測(cè)到的三種病毒進(jìn)行病毒檢測(cè)：barley yellow dwarf virus-PAV病毒 (BYDV-PAV，所有群落中均檢測(cè)到）和兩種新secovirids病毒（Poacee Liege nepovirus A病毒(PoLNVA)和Poacee Liege virus 1病毒(PoLV1)，在牧場(chǎng)和草地中檢測(cè)到）。分析了草地、牧場(chǎng)、6行大麥田和Lolium perenne、Poa trivilis兩個(gè)優(yōu)勢(shì)物種的單株植物。分析結(jié)果表明，BYDV-PAV和PoLV1在植物群落類型和物種中具有不同的流行模式（圖5A）。在麥田中沒(méi)有出現(xiàn)高的病毒流行率，BYDV-PAV病毒流行率僅為6%。但在非種植區(qū)域的病毒流行率較高，特別是BYDV-PAV病毒和PoLNVA病毒的共感染（高達(dá)50%的植物在草地中共感染）。不過(guò)，三種病毒的多重感染相對(duì)較少（0%-7%）（圖5B）。

圖5：（A）2018年在Anthit地點(diǎn)的植物群落和物種中觀察到的BYDV-PAV和兩種新物種（PoLNVA和PoLV1）的病毒流行率。

（B） 2018年在Antheit地點(diǎn)的非種植植物群落（草地和牧場(chǎng)，稱為Global）和兩種非種植禾本科植物（多年生Lolium perenne和Poa tivialis）中BYDV-PAV、PoLNVA和PoLV1的單一和多重感染百分比。

圖6：在Antheit草地（A）和牧場(chǎng)（B）中多年生Lolium perenne和Poa trivilis的受感染植物（BYDV-PAV、PoLNVA和PoLV1）的地理分布?；尹c(diǎn)和紅點(diǎn)分別表示未感染和感染的植物。

（4）自然草地中的大型病毒遺傳結(jié)構(gòu)

同一植物群落內(nèi)病毒序列的年際比較分析表明，許多病毒物種具有高基因組水平的遺傳穩(wěn)定性。例如在兩個(gè)采樣年份之間的Anthit牧場(chǎng)中，觀察到黑麥草花葉病毒（ryegrass mosaic virus，RMV）和PLNA的核苷酸同源性分別為99.4%和99.8%。然而，在Lolium潛伏病毒（Lolium latent virus，LLV；Lolavirus屬，Alphaflexiviridae科）發(fā)現(xiàn)更多變異性。對(duì)本研究中檢測(cè)到的LLV分離株的RdRp區(qū)域的共有成對(duì)同源性分析進(jìn)一步證實(shí)了其遺傳多樣性。對(duì)LLV-RdRp序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析（圖7），結(jié)果揭示了LLV的三個(gè)主要簇。在所研究2年間的同一地塊中（如AP1-C1和AP2-C5、HG1-C1和HG2-C1）、在相同地點(diǎn)的牧場(chǎng)和草地（如AG1-C3和AP1-C4、HP2-C2和HG2-C2）、在不同位點(diǎn)（如AG1-C2、HP2-C1和LP2-C2）、給定的圖和/或位點(diǎn)（如HP1-C1、LP1-C1）僅檢測(cè)一次，均檢測(cè)到密切相關(guān)的RdRp序列。此外，在同一位點(diǎn)中同時(shí)觀察到非常不同的RdRp序列（如AG1-C1、AG1-C2和AG1-C3），其中一些與在其他位點(diǎn)中鑒定的序列密切相關(guān)（如AG1-C2、HP2-C1和LP2-C2）。

圖7： 在2017（1）和2018（2）兩年間，不同地點(diǎn)（紅色Anthit[A]、綠色Héron[H]和藍(lán)色的Latine[L]）和群落（草地[G]和牧場(chǎng)[P]）的L. perenne中的LLV病毒RdRp區(qū)域共有序列（contigs de novo assembled (Cx)）系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)（最大似然法，Tamura-Nei模型，1000個(gè)bootstraps，70%閾值）。樣品與LLV的NCBI對(duì)照比較（NC_010434）進(jìn)行比較，顯示為橙色。

 

易基因小結(jié)：

本研究中使用的宏病毒組測(cè)序方法可以擴(kuò)展到其他地區(qū)、不同環(huán)境梯度和氣候的更多禾本科植物物種以及其他植物科（例如茄科、豆科）。可以更廣泛地概述混合物種群落中存在的病毒群落，并有助于理解不同農(nóng)業(yè)生態(tài)的植物病毒生態(tài)學(xué)，該領(lǐng)域仍處于起步階段。

關(guān)于易基因宏病毒組測(cè)序技術(shù)介紹

病毒宏基因組學(xué)（Meta-virome）是在宏基因組學(xué)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的病毒分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)而興起的一個(gè)新的學(xué)科分支，是某類樣本中所有病毒(virus)或病毒類似物(virus-like-particle)及其所攜帶遺傳信息的總稱。宏病毒組直接以環(huán)境中所有病毒的遺傳物質(zhì)為研究對(duì)象，能夠快速準(zhǔn)確的鑒定出環(huán)境中所有的病毒組成，在病毒發(fā)現(xiàn)、病毒溯源、微生物預(yù)警等研究方面具有重要作用。宏病毒研究可應(yīng)用于人或動(dòng)物腸道或者血液樣本、海洋、土壤等的研究，用以挖掘潛在的對(duì)人類和環(huán)境的危害。

 

易基因科技同丹麥哥本哈根大學(xué)知名微生物課題組聯(lián)合開(kāi)發(fā)高效的宏病毒組顆粒富集方法，可對(duì)微量樣本進(jìn)行病毒顆粒富集，并保證病毒活性及高均質(zhì)性，為宏病毒組學(xué)、噬菌體與細(xì)菌之間的互作關(guān)系等研究提供優(yōu)良技術(shù)支持，保駕護(hù)航！

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

?  對(duì)樣本進(jìn)行病毒顆粒富集，實(shí)現(xiàn)微量樣本中的病毒組進(jìn)行有效分離。

?  對(duì)噬菌體不造成損傷，最大程度保證了病毒活性，適用于下游FVT研究。

?  相較于傳統(tǒng)的PEG，CsCl等方法，均質(zhì)性高，噬菌體偏好性低。

?  全面的數(shù)據(jù)分析策略，定制的多組學(xué)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘。

 

研究方向：

宏病毒組學(xué)研究在病毒發(fā)現(xiàn)、病毒溯源、微生物預(yù)警等研究方面具有重要作用：

?  農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)破壞和作物殘留化學(xué)物質(zhì)

?  生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域：調(diào)控寄主群落結(jié)構(gòu)、參與元素地球化學(xué)循環(huán)、基因水平移動(dòng)媒介

?  醫(yī)藥領(lǐng)域：噬菌體和噬菌體療法的研究、人體腸道病毒組研究

易基因提供全面的微生物組學(xué)研究解決方案，詳詢易基因：0755-28317900。

參考文獻(xiàn)：

Maclot F, Debue V, Malmstrom CM, Filloux D, Roumagnac P, Eck M, Tamisier L, Blouin AG, Candresse T, Massart S. Long-Term Anthropogenic Management and Associated Loss of Plant Diversity Deeply Impact Virome Richness and Composition of Poaceae Communities. Microbiol Spectr. 2023 Mar 14:e0485022.

 

相關(guān)閱讀：

3文聚焦：宏病毒組測(cè)序在腸病中的應(yīng)用研究

植物宏病毒組研究：植物病毒的進(jìn)化與生態(tài) | 頂刊綜述

技術(shù)推介｜易基因宏病毒組測(cè)序技術(shù)

高分文獻(xiàn)：腸道病毒組在炎癥性腸病中呈疾病特異性改變