董 波,安永帥,戴愛(ài)玲,李曉華,楊小燕,*
(1.龍巖學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,福建 龍巖 364012;2.福建省生豬疫病防控工程技術(shù)研究中心,福建 龍巖 364012)
閩西地區(qū)豬流行性腹瀉病毒M基因遺傳進(jìn)化及分子結(jié)構(gòu)特征分析
董 波1,2,安永帥1,戴愛(ài)玲1,2,李曉華1,2,楊小燕1,2,*
(1.龍巖學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,福建 龍巖 364012;2.福建省生豬疫病防控工程技術(shù)研究中心,福建 龍巖 364012)
摘 要:為了解2015—2017年閩西地區(qū)豬流行性腹瀉病毒(PEDV)遺傳進(jìn)化規(guī)律,本研究收集了閩西地區(qū)12份PEDV陽(yáng)性樣品,對(duì)其M基因進(jìn)行RT-PCR擴(kuò)增,克隆至pMD18-T載體測(cè)序,并與國(guó)內(nèi)外已知參考毒株序列進(jìn)行比對(duì)及遺傳進(jìn)化分析。結(jié)果表明,12株閩西毒株M基因氨基酸序列同源性為100.0%;遺傳進(jìn)化分析表明,12株閩西毒株與經(jīng)典毒株CV777、2010年前中國(guó)分離毒株LCZ、以及韓國(guó)毒株SM98、virulent DR13的親緣性較遠(yuǎn),而與2010年后國(guó)內(nèi)分離毒株以及2013年美國(guó)分離毒株親緣關(guān)系最近,說(shuō)明閩西PEDV毒株屬于目前國(guó)內(nèi)外流行毒株。分子結(jié)構(gòu)特征分析表明,PEDV M基因具備高度保守的特性,可以作為設(shè)計(jì)疫苗的候選基因。
關(guān)鍵詞:豬流行性腹瀉病毒;M基因;進(jìn)化特征;分子特征
豬流行性腹瀉(porcine epidemic diarrhea,PED)是由豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)引起豬的一種急性、高度接觸性腸道傳染病,以水樣腹瀉、嘔吐和脫水為臨床特征,主要感染哺乳期仔豬,感染率和病死率極高,給養(yǎng)豬業(yè)造成極大損失[1-3]。該病第一次被報(bào)道于1971年的英國(guó),之后在歐洲、亞洲相繼有該病的出現(xiàn)[4-5]。我國(guó)第一次出現(xiàn)該病是在1976年,繼而呈現(xiàn)大面積流行趨勢(shì)[6]。自2010年冬季以來(lái),我國(guó)10多個(gè)省市暴發(fā)PED,對(duì)國(guó)內(nèi)養(yǎng)豬業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重影響,甚至出現(xiàn)以前接種過(guò)PED疫苗的豬也未能幸免,提示該流行毒株毒力較強(qiáng),而且與現(xiàn)有疫苗毒株存在較大的差異,導(dǎo)致現(xiàn)有疫苗難以提供免疫保護(hù)[7-8]。2011年,張世忠等[9]對(duì)福建省各個(gè)地區(qū)的規(guī)?;B(yǎng)豬的頑固性腹瀉病例進(jìn)行檢測(cè),PEDV感染率高達(dá)52.2%。由此可見(jiàn),該病一旦暴發(fā)流行,其危害十分嚴(yán)重,對(duì)養(yǎng)豬業(yè)的潛在危害不容忽視。2013年,美國(guó)多個(gè)洲先后有暴發(fā)PEDV,病豬表現(xiàn)出水樣腹瀉、急性腸炎、嘔吐等典型癥狀,死亡率極高,給美國(guó)養(yǎng)豬業(yè)造成重創(chuàng),引起了美國(guó)乃至全球養(yǎng)豬業(yè)的高度重視[10-11]。
PEDV為單股正鏈RNA病毒,全長(zhǎng)大約28kb,由4種結(jié)構(gòu)蛋白組成,分別為纖突蛋白(spike,S)、膜蛋白(membrane,M)、核衣殼蛋白(nucleocapsid,N)和小膜蛋白(small membrane,E)[12]。其中,M基因全長(zhǎng)681bp,編碼226個(gè)氨基酸,位于病毒表面,是病毒囊膜中含量最多的基因[13]。M基因在PEDV的結(jié)構(gòu)基因中,相對(duì)較為保守,然而,近些年的相關(guān)文獻(xiàn)顯示,M基因也呈現(xiàn)了進(jìn)化和變異的趨勢(shì)。閩西地區(qū)地處閩粵贛三省交界,一旦出現(xiàn)病毒變異并迅速蔓延,對(duì)三省乃至全國(guó)的養(yǎng)豬業(yè)將造成不小的影響。因此,本研究收集了2015年1月—2017年6月閩西地區(qū)規(guī)?;i場(chǎng)送檢PEDV陽(yáng)性病例,采用RT-PCR技術(shù),擴(kuò)增陽(yáng)性樣品全長(zhǎng)M基因,旨在從分子水平了解PEDV閩西地區(qū)流行毒株的特點(diǎn),進(jìn)一步闡明閩西地區(qū)流行毒株的遺傳變異規(guī)律,為我國(guó)PEDV地方毒株的遺傳演化分析提供基礎(chǔ)資料,并為下一步制備PEDV疫苗提供參考依據(jù)。
PEDV弱毒疫苗購(gòu)自福州大北農(nóng)公司;野外陽(yáng)性樣品為2015年1月—2017年6月年期間采自閩西地區(qū)規(guī)?;B(yǎng)豬場(chǎng)送檢腹瀉癥狀仔豬的糞便和小腸組織樣品12份;大腸埃希菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞,由本實(shí)驗(yàn)室制備、保存;pMD18-T Vector購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司。
DL2000 Marker、總RNA提取液(TaKaRa RNAiso Reagent)、病毒RNA/DNA提取試劑盒(TaKaRa MiniBEST Viral DNA/RNA Extraction Kit Ver.3.0)、AMV反轉(zhuǎn)錄酶、PrimeSTAR? HS DNA Polymerase 高保真酶、Oligo(dT)18、dNTP、DNA Marker DL 2000、RNA酶抑制劑購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司;DNA凝膠回收試劑盒(DNA Gel Extraction Kit)及質(zhì)粒提取試劑盒(Plasmid Miniprep Kit)購(gòu)自AXYGEN公司產(chǎn)品;感受態(tài)細(xì)胞制備試劑購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司;氯仿、異丙醇采用分析純?cè)噭?/p>
按照試劑盒提供的操作手冊(cè),自糞便和小腸組織以及滅活的PEDV樣品(陽(yáng)性對(duì)照)中提取總RNA。取潔凈EP管,加入RNA 11μL、Oligo(dT)18 1μL,12000g離心40s,于70℃水浴10min,加入5×M-MLV Buffer 5μL、M-MLV 1μL、dNTP 1μL、DEPC水 6μL,混勻后,42℃水浴30min,95℃水浴10min。cDNA于-80℃下保存。
參考GenBank上發(fā)表的PEDV CV777株M基因序列,使用Premier Premier 5.0生物軟件設(shè)計(jì)合成一對(duì)特異性引物,PEDV-M-F:TTCTATTCCCGTTGATGAGG;PEDV-M-R:CATGAAGCACTTTCTCACTATC。以cDNA為模板,擴(kuò)增病毒M基因。反應(yīng)條件為:95℃預(yù)變性5min;94℃變性30s,56℃退火30s,72℃延伸45s,35個(gè)循環(huán);最后72℃延伸10min。產(chǎn)物經(jīng)電泳分離,凝膠切割純化,凝膠成像系統(tǒng)下觀(guān)察結(jié)果。
取5μL純化產(chǎn)物與0.5μL pMD18-T載體(50 ng·μL-1)進(jìn)行連接反應(yīng),16℃連接4h后,將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化入DH5α感受態(tài)細(xì)胞,涂板過(guò)夜,挑取單個(gè)白色菌落,每個(gè)樣品挑選3個(gè)菌落,以保證測(cè)序準(zhǔn)確性。過(guò)夜培養(yǎng),提取質(zhì)粒,經(jīng)鑒定正確后,送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序。
使用DNAman、DNAstar、MEGA5.2分子生物學(xué)軟件,對(duì)M基因序列進(jìn)行同源性及系統(tǒng)發(fā)育分析。
12份陽(yáng)性樣品編號(hào)為: FJLY1501、FJLY1502、FJLY1503、FJLY1504、FJLY1601、FJLY1602、FJLY16031、FJLY1604、FJLY1701、FJLY1702、FJLY1703、FJLY1704,對(duì)M基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增。M基因PCR產(chǎn)物經(jīng)擴(kuò)增后,使用凝膠電泳進(jìn)行鑒定,結(jié)果顯示獲得大小約為681bp基因片段(圖1)。將純化后的PCR產(chǎn)物連接到pMD18-T載體,將陽(yáng)性克隆送往上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序,序列結(jié)果正確。
將12份陽(yáng)性樣品的氨基酸序列與國(guó)內(nèi)外已知代表毒株M基因序列進(jìn)行比對(duì)及同源性分析。所引用的已知代表毒株信息見(jiàn)表1。12份陽(yáng)性樣品M基因與其他代表性毒株M基因進(jìn)行氨基酸同源性比較后發(fā)現(xiàn),閩西毒株M基因之間的同源性為100.0%,與經(jīng)典毒株CV777和LCZ的同源性分別為98.7%和98.6%,與2014年福建分離毒株FJ-ZP和FJ-FQ的同源性分別為99.6%和99.7%。與2010年以后中國(guó)分離毒株的同源性均在99%以上,與2013年美國(guó)毒株的同源性也均在99%以上。
遺傳進(jìn)化分析表明,42株P(guān)EDV可以分成兩個(gè)大組。其中,Ⅰ組包括經(jīng)典毒株CV777,3株韓國(guó)毒株,6株中國(guó)毒株;Ⅱ組則包括1株韓國(guó)毒株,4株美國(guó)毒株,22株2010年后中國(guó)毒株以及12株閩西分離毒株。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,閩西分離毒株與經(jīng)典毒株CV777、2010年前中國(guó)分離毒株LCZ、SM98以及韓國(guó)毒株virulent DR13的親緣性較遠(yuǎn),與2010年以后中國(guó)分離毒株的親緣性較高,與2013年美國(guó)毒株親緣性也較高。見(jiàn)圖2。
M,DL2000 marker;1,陰性對(duì)照;2~13依次為FJLY1501、FJLY1502、FJLY1503、FJLY1504、FJLY1601、FJLY1602、FJLY16031、FJLY1604、FJLY1701、FJLY1702、FJLY1703、FJLY1704。M,DL2000 marker;1,Negative control;2-13,F(xiàn)JLY1501,F(xiàn)JLY1502,F(xiàn)JLY1503,F(xiàn)JLY1504,F(xiàn)JLY1601,F(xiàn)JLY1602,F(xiàn)JLY16031,F(xiàn)JLY1604,F(xiàn)JLY1701,F(xiàn)JLY1702,F(xiàn)JLY1703,F(xiàn)JLY1704.圖1 M基因PCR擴(kuò)增純化結(jié)果Fig.1 PCR amplification result of M genes
表1序列比對(duì)及系統(tǒng)發(fā)育分析中引用的PEDV毒株
Table1Cited PEDV virus strains in sequence alignment and phylogenetic analysis
毒株Strain基因庫(kù)登錄號(hào)GenBank Accession No.國(guó)家Country年份YearCV777AF353511England1978virulent DR13JQ023161SouthKorea1999Attenuated DR13JQ023162SouthKorea2003SM98GU937797SouthKorea1998IA2KF468754USA2013ISU13-19338E-IN-homogenateKF650370USA 2013MNKF468752USA2013USA-Iowa-18984-2013KF804028USA2013CH-SJN547228China1986LZCEF185992China2006JS2008_KC109141KC109141China2008JS2008_KC210146KC210146China2008SD-MJX560761China2012CHGD-01JX261936China2011LCJX489155China2011AJ1102JX188454China2011BJ-2011-1JN825712China2011GD-AJXl12709China2012GD-BJX088695China2012GD-1JX647847China2011CH-FJZZ-9-2012KC140102China2012KC189944KC189944.China2012CH-GDGZ-2012KF384500China2013CH-FJND-3-2011JQ282909China2011JS-HZ2012KC210147China2012AH2012KC210145China2012CH-ZMDZY-11KC196276China2011FJ-FQKJ646594China2014FJ-ZPKJ646592China2014CH/HeN/FQ-2014KM048291China2014
圖2 PEDV M基因系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.2 Phylogenetic analysis based on M genes of PEDV
M基因在PEDV中是相對(duì)保守的基因,序列比對(duì)結(jié)果表明,M基因全長(zhǎng)為681bp,編碼226個(gè)氨基酸,包含一個(gè)完整的閱讀框架。閩西分離毒株與經(jīng)典毒株CV777相比,氨基酸序列僅存在3處突變,分別為12E-Q、42A-V、213A-S,見(jiàn)表2。這些突變位置與2010年后中國(guó)變異毒株一致。N-糖基化位點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果表明,經(jīng)典毒株CV777含有兩個(gè)N-糖基化位點(diǎn),而閩西分離毒株的N-糖基化位點(diǎn)與經(jīng)典毒株CV777一致,見(jiàn)表3。M基因其他預(yù)測(cè)結(jié)果表明,閩西分離毒株的穿膜肽、疏水性、pI值等方面與經(jīng)典毒株CV777無(wú)明顯差異,見(jiàn)表4。
表3M基因潛在糖基化位點(diǎn)比對(duì)分析
Table3Alignment of mutant amino acids of potential glycosylation sites on M genes
病毒樣品Virus samples3-6aa19-22aaCV777NGSINFTWFJLY201501NGSINFTWFJLY201502NGSINFTWFJLY201503NGSINFTWFJLY201504NGSINFTWFJLY201601NGSINFTWFJLY201602NGSINFTWFJLY201603NGSINFTWFJLY201604NGSINFTWFJLY201701NGSINFTWFJLY201702NGSINFTWFJLY201703NGSINFTWFJLY201704NGSINFTW
表4M基因編碼蛋白性質(zhì)預(yù)測(cè)
Table4Predicted protein characterizations of deduced protein of M gene
病毒樣品Virus samples疏水區(qū)Hydrophobic region穿膜肽Cell-penetrating peptidepICV77722-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.31FJLY20150122-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20150222-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa 20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20150322-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20150422-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20160122-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa 20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20160222-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa 20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20160322-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20160422-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20170122-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa 20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20170222-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20170322-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54FJLY20170422-33aa;48-64aa;75-95aa;130-135aa;141-145aa20-38aa;43-65aa;75-97aa9.54
PEDV是PED的致病原,主要感染對(duì)象為哺乳期仔豬,致死率高,對(duì)養(yǎng)豬業(yè)的危害非常嚴(yán)重。研究證實(shí),PEDV只存在一個(gè)血清型,然而,分子流行病學(xué)調(diào)查顯示,近十年來(lái)我國(guó)流行毒株與歐洲流行毒株、原始毒株比較,我國(guó)流行毒株的結(jié)構(gòu)蛋白基因(M、N、S)均與歐洲流行毒株及原始毒株親緣關(guān)系較遠(yuǎn),可能出現(xiàn)了新的基因型[14]。2011年,劉孝珍等[15]將17株分離得到的PEDV S基因進(jìn)行遺傳進(jìn)化分析研究,證實(shí)我國(guó)出現(xiàn)了PEDV新的基因型。M基因能誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生針對(duì)病毒的中和抗體,在病毒粒子的組裝和出芽過(guò)程中具有重要作用[16]。M基因是高度保守的基因,能介導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生干擾素,常用作RT-PCR診斷靶基因和疫苗候選基因[17]。在遺傳進(jìn)化的分析中,選擇M基因,有助于更多地了解病毒的流行趨勢(shì)與進(jìn)化規(guī)律,對(duì)于病毒的防控和疫苗的研制具有重要意義。
2011年冬末,廣東、福建等地區(qū)持續(xù)暴發(fā)仔豬腹瀉,引起了學(xué)者的關(guān)注,學(xué)者們普遍認(rèn)為,造成這次PEDV暴發(fā)的毒株為變異毒株。自此以后,該變異毒株成為我國(guó)主要流行毒株。2013年,張志等[18]將分離到的PEDV陽(yáng)性毒株M基因進(jìn)行遺傳進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),新分離毒株M基因與2010年后我國(guó)新分離毒株親緣性較高,為國(guó)內(nèi)變異毒株。本研究中,閩西毒株M基因氨基酸序列與2010年以后中國(guó)分離毒株以及2013年美國(guó)毒株的同源性均在99%以上,證實(shí)了閩西流行毒株與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)流行毒株關(guān)系密切,屬于2010年后國(guó)內(nèi)分離變異毒株。
2013年,美國(guó)暴發(fā)了豬流行性腹瀉,給美國(guó)養(yǎng)豬業(yè)造成了嚴(yán)重影響,經(jīng)濟(jì)損失巨大。這次暴發(fā)的PEDV,與2010年我國(guó)暴發(fā)的PEDV的流行方式極為相似,并且學(xué)者通過(guò)進(jìn)化分析證實(shí),2013年在美國(guó)暴發(fā)的PEDV與2010年在中國(guó)流行的PEDV,在親緣性上很相近,可以認(rèn)為來(lái)自同一祖先。本研究中,42株病毒可以分成2個(gè)大組,Ⅰ組和Ⅱ組。其中,Ⅰ組主要包括CV777、LZC和SM98為代表的的經(jīng)典株,以及韓國(guó)DR13弱毒株和國(guó)內(nèi)早期毒株;而Ⅱ組包含毒株均為2010年后中國(guó)分離毒株以及2013年后美國(guó)分離毒株,這也證實(shí)了閩西毒株與2010年后國(guó)內(nèi)分離毒株和2013年后美國(guó)分離毒株進(jìn)化關(guān)系更為緊密,為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外流行毒株。同時(shí),親緣比較結(jié)果表明,閩西毒株與疫苗研發(fā)株CV777親緣關(guān)系較遠(yuǎn),提示我們現(xiàn)在豬場(chǎng)所使用的疫苗,對(duì)于防治PED的流行所起到的作用并不顯著,這也成為控制PEDV暴發(fā)的主要隱患。
M基因氨基酸結(jié)構(gòu)特征比較顯示,與經(jīng)典毒株CV777相比,閩西毒株無(wú)特有的片段缺失和插入,12份毒株存在3處相同突變,分別為12E-Q、42A-V、213A-S,這些突變位置與2010年后分離毒株一致,證實(shí)了閩西毒株屬于2010年后國(guó)內(nèi)分離變異毒株。閩西毒株N-糖基化位點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果與經(jīng)典毒株CV777一致,且穿膜肽、親水性、pI值等方面與經(jīng)典毒株CV777也無(wú)差異,這些結(jié)果進(jìn)一步證明了PEDV M基因具備高度保守的特性,可以作為設(shè)計(jì)疫苗的候選基因。
綜上,通過(guò)比較分析2015—2017年閩西地區(qū)PEDV M基因氨基酸序列發(fā)現(xiàn),閩西毒株M基因與2010年國(guó)內(nèi)分離毒株以及2013年美國(guó)分離毒株同源性較高,屬于國(guó)內(nèi)外流行毒株。并且,蛋白預(yù)測(cè)結(jié)果表明,雖然閩西毒株M基因與經(jīng)典毒株CV777相比存在3處基因改變,但是大部分性質(zhì)沒(méi)有明顯變化,證明M基因是高度保守的。這些結(jié)果的獲得,有助于從分子水平了解閩西地區(qū)PEDV M基因分子結(jié)構(gòu)及遺傳變異特征,為進(jìn)一步研制有效的生物制劑和診斷方法提供資料支持,同時(shí)為豬流行性腹瀉的防控提供病原學(xué)和流行病學(xué)參考依據(jù)。
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EvolutionaryandmolecularcharacteristicsofMgenesofporcineepidemicdiarrheavirusesinwesternFujian,China
DONG Bo1,2,AN Yongshuai1,DAI Ailing1,2,LI Xiaohua1,2,YANG Xiaoyan1,2,*
(1.CollegeofLifeScienceofLongyanUniversity,Longyan364012,China;2.FujianEngineeringResearchCenterforSwineDiseaseControlandPrevention,Longyan364012,China)
Abstract:To elucidate evolutionary characteristics of the memberane(M) genes of porcine epidemic diarrhea viruses in Fujian,China,12 samples collected from Fujian province during 2015 to 2017 were screened by multiplex RT-PCR,M genes of PEDV viruses from positive samples were amplified by RT-PCR and cloned into pMD18-T vectors for sequencing respectively.The sequence data were done alignment and phylogenetic analysis with sequences from known reference strains.The M genes from 12 representative positive samples shared100.0% identity at amino acid level.12 representative positive samples are remote to classical strain CV777,SM98 and virulent DR13.12 representative strains belong to the genotype variant strain.Molecular structure characteristics analysis showed that M gene is highly conservative and could be an optimal candidate protein for vaccine development.
Key words:porcine epidemic diarrhea virus;M gene;evolutionary characteristics;molecular characteristic
中圖分類(lèi)號(hào):S858.28
A
文章編號(hào):1004-1524(2018)06-0939-07
收稿日期:2017-09-28
基金項(xiàng)目:福建省科技廳重大專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)題(2014NZ0002);福建省高校自然基金青年重點(diǎn)項(xiàng)目(JZ160481);福建省教育廳中青年科技項(xiàng)目(JAT160483);龍巖學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目(LB2014004);大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(2016017)
作者簡(jiǎn)介:董波(1983—),男,天津人,博士,講師,主要從事動(dòng)物病毒學(xué)研究。E-mail:381289930@qq.com
,楊小燕,E-mail:1906834157@qq.com
10.3969/j.issn.1004-1524.2018.06.08
(責(zé)任編輯張 韻)