范燕迪,楊丹嬌,葉忠明,張 敏,藍 嵐,王靖皓,周 菡,康潤敏,于吉鋒,張志東,李彥敏,周 瀧*
(1.西南民族大學畜牧獸醫(yī)學院,成都 610041;2.四川省甘孜藏族自治州畜牧業(yè)科學研究所,康定 626000;3.四川省畜牧科學研究院,成都 610066)
藏豬是我國青藏高原及其周邊地區(qū)的地方特有豬種,起源于早期少數(shù)民族馴化當?shù)匾柏i而形成[1],屬于放牧飼養(yǎng)的小型豬種,是我國高原牧區(qū)人民的重要生活資料。豬呼吸道疾病綜合征(porcine respiratory disease complex, PRDC)是一種以病毒、細菌和支原體等多種病原體相互在機體內(nèi)作用引起的呼吸道疾病的總稱[2],而病毒作為PRDC的主要病原體常常造成發(fā)病率和死亡率的提高,對養(yǎng)豬業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。病毒性呼吸道疾病是藏豬的一種常見疾病,主要以感染6~10周齡的保育豬和16~22周齡的育肥豬為主,豬群的發(fā)病率一般在30%~70%,死亡率為4%~15%[3]。
藏豬養(yǎng)殖以放牧為主,常年與當?shù)仃笈?、藏綿羊、山羊混群飼養(yǎng),這種養(yǎng)殖模式可能會造成呼吸道疾病相關病毒的跨物種傳播,導致病毒在牧區(qū)進一步廣泛傳播[4],同時,放牧過程中藏豬與人群的密切接觸,也有可能增加人畜共患傳染病的傳播風險[5]。常見的豬源人畜共患病毒病主要有口蹄疫(FMD)、豬流感(SI)、豬藍眼病(LPM)、水皰性口炎(VS)、乙型腦炎(JE)、戊型肝炎(HE)等[6]。目前,豬呼吸道疾病研究主要針對低海拔地區(qū)的地方豬種和進口豬種,目前已報道的可引起豬呼吸道綜合征相關病毒主要有豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)、流感病毒(SIV)、偽狂犬病病毒(PRV)、圓環(huán)病毒(PCV)及豬呼吸道冠狀病毒(PRCV)等[7-8],而高原地區(qū)藏豬呼吸道疾病相關的病毒種類及流行情況尚不清楚。
宏基因組學技術由Handelsman等[9]于20世紀90年代提出,病毒宏基因組學是宏基因組學技術的分支之一,該技術可將環(huán)境和機體內(nèi)病原微生物的遺傳物質(zhì)視為整體對象研究,可快速鑒別病毒種類,是挖掘未知病毒的有效技術,也是分子流行病學研究中監(jiān)測致病性病毒遺傳變異情況的有力手段[10]。為了調(diào)查我國藏豬的呼吸道疾病相關病毒,作者使用宏基因組學技術,對2022年收集于四川省甘孜藏族自治州的119份藏豬呼吸道樣本進行高通量測序,并進行全基因組遺傳變異、遺傳演化和重組分析,該研究豐富了我國高原地區(qū)藏豬呼吸道病毒的流行病學調(diào)查資料,為科學防控呼吸道病毒病在藏豬種群之間傳播提供數(shù)據(jù)支持。
四川省甘孜藏族自治州存欄純種藏豬主要分布在稻城、瀘定和康定等純牧區(qū)和半農(nóng)半牧的高山峽谷地帶,2022年1—10月,從稻城、瀘定和康定三個地區(qū)的17個豬場采集119份藏豬呼吸道樣品,其中健康組66份,均為鼻拭子(來自6個豬場),呼吸道癥狀明顯(如流鼻液、呼吸急促、困難等)的發(fā)病組53份,包括藏豬鼻拭子、肺組織及肺泡灌洗液(來自11個豬場)。采集完后-20 ℃保存,送至實驗室。
0.45 μm、0.22 μm微孔過濾器購自Millipore公司;病毒基因組DNA/RNA提取試劑盒,購自北京全式金生物技術有限公司;Ultra 50K超濾管購自默克密理博生命科學部;ReverTra Ace qPCR RT Master Mix with gDNA Remover反轉(zhuǎn)錄試劑盒購自TOYOBO公司;高速冷凍離心機(型號TG16.5),購自上海盧湘儀離心機儀器有限公司;PCR儀(型號為A300),購自杭州朗基科學儀器有限公司,凝膠成像系統(tǒng) (型號為GelView 6000Plus),購自BIO-RAD公司;核酸電泳儀(型號為DYY-12),購自北京君意東方電泳設備有限公司。
對臨床樣本進行處理,簡述如下:每份鼻拭子樣本加入2 mL PBS緩沖液,震蕩混勻,各取500 μL上清液;肺樣本研磨后加入PBS緩沖液,10 000 r·min-1離心5 min取上清液,將健康組和發(fā)病組的樣本分別混合成一個pool樣,先后使用一次性0.45和0.22 μm過濾器分別過濾,去除較大的組織碎片和細菌,然后用Ultra 50K超濾管將病毒液濃縮,使用病毒基因組DNA/RNA提取試劑盒提取濃縮液的總DNA和RNA,并將提取的總RNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNA,送至上海探普生物科技有限公司建庫測序。
抽提pool樣中的總基因組DNA,使用DNA剪切儀將提取的DNA隨機打斷成長度約450 bp的DNA小片段。構(gòu)建PE文庫后進行Illunima novaseq 6000 測序。將獲得的原始數(shù)據(jù)使用trimmomatic軟件進行過濾,去除接頭序列、低質(zhì)量讀段、N率較高序列(超過10%的reads)及長度過短序列(小于75 bp),得到高質(zhì)量的測序數(shù)據(jù)(clean data)。使用bwa去除clean reads內(nèi)比對到宿主基因組的reads序列。使用kraken2軟件對clean reads進行物種分類學注釋,保留注釋到病毒的reads條數(shù)。使用Megahit組裝軟件對所得到的病毒reads進行組裝。
為檢測藏豬中PCV2、TTSuV和Porprismacovirus三種病毒的流行情況,使用Primer 5軟件設計3種病毒的引物,TTSuV和Porprismacovirus的引物序列參照宏基因組測序所得的序列,PCV2引物參照GenBank中已有的PCV2序列設計合成,詳細信息見表1。
表1 豬圓環(huán)病毒、細環(huán)病毒和Porprismacovirus引物信息Table 1 Primer information of PCV2, TTSuV and Porprismacovirus
通過NCBI中的BLASTN算法將組裝好的病毒核苷酸與數(shù)據(jù)庫比對,基于BLASTN的最佳比對結(jié)果,選擇了6株Porprismacovirus毒株作為參考序列,利用Mega X軟件的Clustal(W)程序?qū)Cgz-2022毒株全基因組與GenBank里面的6株Porprismacovirus參考株全基因組序列進行比對,然后使用DNAStar軟件中的MegAlign程序分析病毒的全基因組及其編碼氨基酸序列的相似性。
選取GenBank內(nèi)的毒株作為參考毒株,分別構(gòu)建PCV-2、TTSuV和Porprismacovirus的全基因組遺傳進化樹以及Smacoviridae病毒科全基因組和Rep基因的遺傳演化樹。使用MEGA X軟件用于構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,MUSCLE組件進行每條基因序列的相似性比對,采用Neighbor-Joining Method (NJ法/鄰近法)構(gòu)建全基因組和Rep基因的系統(tǒng)發(fā)育樹,對系統(tǒng)發(fā)育樹的Bootstrap值進行1 000次重復以評估系統(tǒng)進化樹分支的置信度。
根據(jù)NCBI中的BLASTN算法的比對結(jié)果,利用RDP4軟件對測得病毒序列及從GenBank中下載的5株可疑親本毒株Porprismacovirus全基因組序列進行重組分析,使用7種統(tǒng)計方法(RDP、GENECONV、BootScan、MaxChi、Chimaera、SiScan、3Seq)分析其重組顯著性,根據(jù)P值判斷結(jié)果顯著性(P<0.05為有差異,P<0.01為有顯著差異,P<0.001為有極其顯著差異),若7種統(tǒng)計學方法中有5種顯示重組顯著,則表明該重組結(jié)果可信。
通過高通量測序,從藏豬呼吸道的pool樣中獲得62 154 056 reads,注釋到病毒的reads條數(shù)占比為1.63%,用VirFinder、VirSorter2和IMG/VR三個軟件比對發(fā)現(xiàn),健康藏豬呼吸道樣品中檢測到的病毒reads主要以細菌噬菌體為主,動物相關病毒僅有皰疹病毒科(Herpesviridae)的mardivirus。發(fā)病藏豬呼吸道樣品病毒種群包括14個病毒科(圖1A),按病毒reads條數(shù)百分比排列順序分為:類雙生病毒科(Genomoviridae)36.48%,指環(huán)病毒科(Anelloviridae)15.61%,皰疹病毒科(Herpesviridae)12%,環(huán)狀病毒科(Circoviridae)8.65%,非洲豬瘟病毒科(Asfarviridae)5.63%,全病毒科(Totiviridae)4.77%,小環(huán)狀DNA病毒科(Smacoviridae)3.99%,布尼亞病毒科(Peribunyaviridae)2.47%,腺病毒科(Adenoviridae)2.33%,痘病毒科(Poxviridae)2.25%,細小病毒科(Parvoviridae)2.11%,黃病毒科(Flaviviridae)1.72%,多瘤病毒科(Polyomaviridae)1.16%,冠狀病毒科(Coronaviridae)0.83%,對應16種病毒(圖1B),包括雙環(huán)病毒(gemycircularvirus)36.48%,細環(huán)病毒(Torque teno sus virus)15.61%,豬圓環(huán)病毒2型(porcine circovirus type 2)8.65%,非洲豬瘟病毒(African swine fever virus)5.63%,豬細胞巨化病毒(porcine cytomegalovirus)5.54%,人皰疹病毒4型(human gammaherpesvirus 4)4.85%,Piscine myocarditis-like virus 4.77%,Porprismacovirus 3.99%,正布尼亞病毒(Orthobunyavirus)2.47%,禽腺病毒(fowl aviadenovirus)2.33%,Variola virus 2.25%,Protoparvovirus 2.11%,丙型肝炎病毒(hepacivirus C)1.72%,Ictalurid herpesvirus 1 1.61%,多瘤病毒(polyomavirus)1.16%,蝙蝠冠狀病毒(Tylonycterisbat coronavirus)0.83%。結(jié)果表明,藏豬呼吸道發(fā)病組樣本中病毒種群以DNA病毒為主,包括了11個病毒科的13種病毒,共占91.04%;而RNA病毒僅占8.96%,包括了3個病毒科的3種病毒。
圖1 藏豬呼吸道樣本中檢測到的病毒科(A)和病毒種(B)的序列分類Fig.1 Sequence classification of virus family (A) and virus species (B) detected in respiratory tract samples of Tibetan pigs
通過對病毒的reads進行組裝,組裝出3條TTSuV近全長基因組,2條PCV-2全基因組和1條Porprismacovirus全基因組,針對測序結(jié)果中出現(xiàn)的PCV-2、TTSuV、Porprismacovirus設計引物進行驗證,結(jié)果顯示PCV-2檢出率為5.04%(6/119),TTSuV檢出率為0.84%(1/119),Porprismacovirus檢出率為2.52%(3/119),并對檢出樣品送至公司進行測序確定。進一步對以上3種病毒進行遺傳演化分析。
將3株TTSuV分別命名為SCgz-1、SCgz-2和SCgz-3,拼接長度分別為2 815、2 578和2 757 bp,與其它TTSuV參考毒株核苷酸比對結(jié)果顯示,Scgz-1毒株相似性為55.0%~96.3%,Scgz-2毒株相似性為55.5%~97.8%,Scgz-3毒株相似性為55.5%~93.3%,三株毒株之間的相似性為56.2%~74.9%。遺傳演化結(jié)果表明,本研究的3株TTSuV均為k2型,其中SCgz-1屬于k2b亞型,SCgz-2和SCgz-3屬于k2a亞型(圖2A)。
將2株PCV-2毒株命名為SCgz-SMU-1和SCgz-SMU-2,兩株PCV-2長度分別為1 767、1 731 bp,與23株PCV-2參考毒株序列相比,SCgz-SMU-1的核苷酸相似性為94.4%~99.6%,SCgz-SMU-2的核苷酸相似性為94.1%~99.0%。遺傳演化分析結(jié)果表明(圖2B),SCgz-SMU-1和SCgz-SMU-2均為PCV-2d亞型。
將Porprismacovirus病毒株命名為SCgz-2022,全長為2 398 bp。由于Rep基因常用于Smacoviridae病毒科的遺傳演化分析,將其分為12個種屬[11],本研究將SCgz-2022與30株小環(huán)狀DNA病毒科內(nèi)的12種屬毒株的Rep基因構(gòu)建進化樹,遺傳演化分析結(jié)果表明,SCgz-2022毒株屬于Porprismacovirus種屬(圖2C)。
基于BLASTN比對結(jié)果可知,SCgz-2022毒株與越南地區(qū)的人源毒株相似性最高,五株豬源毒株相似性僅次于該人源毒株,以這6株毒株作為參考毒株,全基因組相似性為61.0%~89.5%;Rep基因核苷酸相似性為86.3%~90.3%;Cap基因核苷酸相似性為37.3%~87.4%,詳見表2。全基因組和Cap基因的比對結(jié)果表明,SCgz-2022毒株與人源毒株相似性最高,但其Rep基因相似性比對結(jié)果卻顯示其與豬源毒株相似性最高。SCgz-2022毒株雖為豬源毒株,但其與人源毒株的高相似性表明,該毒株可能在人畜之間傳播。
表2 SCgz-2022毒株與6株參考毒株核苷酸和氨基酸相似性分析Table 2 Nucleotide and amino acid homology between SCgz-2022 strain and six reference strains
氨基酸序列分析顯示,SCgz-2022株Rep蛋白編碼243個氨基酸(33~764 nt),Cap蛋白編碼336個氨基酸(1 181~2 191 nt)。氨基酸比對結(jié)果顯示,Rep蛋白氨基酸相似性為91.4%~95.9%;Cap蛋白氨基酸相似性為20.8%~88.9%(表2)。在Rep蛋白中,SCgz-2022株與Human 16806x66_213株有21個氨基酸差異,與Porcine 17489x28_1796株有10個氨基酸的差異(圖3A)。在Cap蛋白中與Human 16806x66_213株有13個氨基酸差異,且SCgz-2022株在311~315點位出現(xiàn)5個氨基酸的插入(圖3B),SCgz-2022株與相似性較高的5株豬源毒株的Cap蛋白氨基酸相似性僅為20.8%~32.2%(表2),表明藏豬源Porprismacovirus基因組遺傳變異較大。
圖3 Porprismacovirus毒株Rep蛋白(A)、Cap蛋白(B)氨基酸序列比對及基因組圖譜標注(C)Fig.3 Amino acid sequence alignment of Rep protein (A) and Cap protein (B) and genome map annotation (C)
將SCgz-2022毒株全基因組與GenBank中64株小環(huán)狀DNA病毒科(Smacoviridae)參考毒株全基因組構(gòu)建進化樹。全基因組進化樹顯示,SCgz-2022毒株與越南源的Human 16806x66_213毒株單獨聚為一支,而其余五株參考毒株則遺傳距離較遠(圖4)。Rep基因進化樹顯示,SCgz-2022株為Porprismacovirus種屬,遺傳距離與一株豬源毒株距離較近(圖2C)。根據(jù)遺傳演化關系上的差異,進一步推測SCgz-2022毒株可能為重組毒株。全基因組進化樹結(jié)果也表明了不同物種來源的Smacoviridae 毒株有較近的遺傳演化關系,如,人源宿主和鼠源宿主聚為一大支(圖4),表明該科毒株可能存在不同宿主間的相互傳播。
本研究毒株由紅色星號標注,參考毒株由灰色陰影標注,目的毒株由紅色陰影標注,不同宿主來源毒株用不同顏色標記名稱(人源和靈長類為紅色、豬源為藍色、鼠源為綠色,雞源為黃色),紅色箭頭所指區(qū)域為不同宿主來源所構(gòu)成的進化支The strain in this study is labeled with a red asterisk, the reference strain is labeled with a gray shadow, the target strain is labeled with a red shadow, and different host source strains are named with different colors (red for humans and primates, blue for pigs, green for mice, and yellow for chickens). The area indicated by the red arrow represents the evolutionary branch composed of different host sources圖4 小環(huán)狀DNA病毒科全基因組系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.4 Phylogenetic analysis of whole genome of Smacoviridae
以GenBank中下載的5株可疑親本毒株Porprismacovirus全基因組序列為參考毒株,使用RDP4軟件分析SCgz-2022株基因組中可能存在的重組事件。結(jié)果表明,SCgz-2022毒株為人源Human 16806x66_213毒株和豬源Porcine 17668x82_593毒株的重組毒株。親本株Human 16806x66_213于2013年在越南人的糞便中檢測到,而親本株Porcine 17668x82_593于2013年在越南家豬直腸拭子中檢測到。重組斷點為核苷酸760位點(760 nt),將SCgz-2022基因組分為兩個重組區(qū)域,分別為Region A(1~760 nt)、B(761~2 566 nt),進一步遺傳進化分析結(jié)果表明,在Region A區(qū)域SCgz-2022株與豬源毒株有較近的遺傳進化關系,在Region B區(qū)域則和人源毒株單獨為一支,遺傳進化關系接近(圖5)。7種重組算法中有6種方法顯示具有極顯著重組,P-value分別為RDP(3.443×10-11)、BootScan(1.270×10-19)、 MaxChi(4.508×10-16)、Chimaera(1.149×10-4)、SiScan(1.165×10-2)、3Seq(7.771×10-15)。綜上結(jié)果表明,SCgz-2022毒株為人源和豬源Porprismacovirus毒株重組而來的新型變異毒株。
本研究親本株Human 16806x66_213用藍色線條表示;親本株Porcine 17668x82_593用紫色線條表示;本研究Porprismacovirus毒株SCgz-2022用紅色圓點表示圖5 SCgz-2022株全基因組重組分析結(jié)果(A)和遺傳進化分析(B)Fig.5 Whole genome recombination analysis of SCgz-2022 strain (A) and genetic evolution analysis (B)
病毒性呼吸道疾病是藏豬的一種常見疾病,對藏豬養(yǎng)殖業(yè)造成了較大影響。本研究對四川省甘孜藏族自治州采集的119份呼吸道樣本進行病毒宏基因組測序,結(jié)果顯示,健康組藏豬的呼吸道樣本中未檢測到與呼吸道疾病相關的病毒,主要為細菌噬菌體,表明藏豬可能遭受細菌的感染。發(fā)病組藏豬樣本中檢測出14個病毒科的16種病毒,以小DNA病毒為主,在檢測到的16種病毒中已經(jīng)證實可引起豬呼吸道疾病的病原有PCV-2、TTSuV、PCMV和ASFV等。與發(fā)病組相比,健康組檢測到的病毒群落較少,可能與樣品采集部位不同有關,健康組僅采集了藏豬鼻腔拭子,而藏豬鼻道短,采樣拭子難以深入鼻腔內(nèi)部進行采集,加之測序深度仍顯不夠,導致健康組藏豬的鼻腔中的病毒豐度較低。本課題組曾對藏豬腹瀉糞便樣本中的病毒進行檢測,結(jié)果表明也是以小DNA病毒為主[5],這可能是藏豬易感小DNA病毒的一個特征,有待進一步研究。在藏豬發(fā)病組呼吸道樣本中發(fā)現(xiàn)了部分禽腺病毒(fowl aviadenovirus)、蝙蝠冠狀病毒(Tylonycterisbat coronavirus)、人皰疹病毒4型病毒(human gammaherpesvirus 4)的部分序列,表明藏豬呼吸道的多種病毒存在不同家畜間、人和家畜間交叉?zhèn)鞑サ目赡?推測與藏豬以放牧為主的養(yǎng)殖模式有關,應予以重視。
PCV-2于1998年首次分離鑒定。該病毒與母豬繁殖障礙、豬皮炎和腎病綜合征(PDNS)、腹瀉、呼吸和神經(jīng)系統(tǒng)病癥等存在潛在關聯(lián),該病是影響?zhàn)B豬業(yè)發(fā)展的重要疾病[12]。本研究從藏豬呼吸道樣本中檢測出PCV-2,檢出率為5.04%(6/119),檢出率顯著低于從川西高原地區(qū)藏豬腹瀉樣本中的檢出率(10.96%)[5],這可能與樣品采集部位不同和檢測樣品中包含部分未發(fā)病豬樣品有關。豬細環(huán)病毒(TTSuV)為小型環(huán)狀單股負鏈DNA病毒,目前豬群中有兩種不同基因型(1型和K2型)廣泛流行[13],有研究報道,TTSuV 2可能會在宿主免疫力低下時促使自身病毒的釋放和復制,TTSuV還存在不同物種相互傳播的潛在風險,免疫力低下和免疫缺陷的宿主跨種傳播的風險更大[14-15]。我國豬群中TTSuV和PCV-2混合感染現(xiàn)象較為普遍[16]。本研究首次在藏豬呼吸道樣本中檢出TTSuV,檢出率為0.84%(1/119),檢出率顯著低于四川地區(qū)家豬血清樣本中檢出率(49.29%)[17],推測與樣本采集部位不同有關。本研究檢測到3株TTSuV(SCgz-1、SCgz-2和SCgz-3),遺傳演化分析表明3株毒株均屬于TTSuV k2型,其中SCgz-1為k2b型,SCgz-2和SCgz-3為k2a型。值得注意的是,3株TTSuV均來自同一個樣本,表明該豬場存在不同亞型TTSuV毒株的混合感染。
Smacoviridae已在包括人在內(nèi)的多種脊椎動物的糞便和部分昆蟲上被發(fā)現(xiàn)[18-24],現(xiàn)已鑒定發(fā)現(xiàn)的Smacoviridae基因長度為2 300~3 000 bp,在檢出Smacoviridae的43個物種中,有28個物種中檢出Porprismacovirus[11]。有報道秘魯?shù)貐^(qū)發(fā)現(xiàn)的人源Porprismacovirus毒株與美國靈長類動物上發(fā)現(xiàn)的毒株具有較近的遺傳演化關系[25],表明該病毒可能在多宿主之間廣泛傳播。本研究在藏豬呼吸道樣本鑒定了1株Porprismacovirus SCgz-2022,通過基因序列分析表明,SCgz-2022與人源Porprismacovirus毒株序列具有高度的相似性(89.5%),進一步重組分析表明該毒株為人源毒株和豬源Porprismacovirus毒株之間的重組而來的新型變異毒株,該重組方式在國際上未見報道。目前,該病毒尚未成功分離培養(yǎng),對人和動物的致病性尚不清楚,但在多物種上均有檢出,應予以關注。本研究的SCgz-2022株經(jīng)檢測存在于發(fā)病的肺臟樣本中,而大多數(shù)Porprismacovirus是在糞便樣本中發(fā)現(xiàn)[26-30],也有在家畜的血清和鼻拭子中發(fā)現(xiàn)[31-32]。值得注意的是,在人上發(fā)現(xiàn)的Porprismacovirus是在胃腸炎等腸道疾病的腹瀉樣本中發(fā)現(xiàn)的[23,33-36],但該病毒與呼吸道疾病的發(fā)生是否有關系尚不確定,但可以作為參考將Porprismacovirus列為可能潛在的病原體。
本研究從藏豬呼吸道發(fā)病樣本中鑒定到14個病毒科的16種病毒,可引起呼吸道疾病的相關病毒有PCV-2、TTSuV、PCMV和ASFV等。對組裝出的病毒基因全長或近全長序列進一步分析表明,兩株PCV-2屬于PCV-2d亞型,3株TTSuV均屬于k2型,其中SCgz-1屬于k2b亞型,SCgz-2和SCgz-3屬于k2a亞型。Porprismacovirus毒株為人源毒株和豬源毒株的重組毒株。本研究為國內(nèi)首次報道豬源Porprismacovirus的存在,了解和豐富了我國藏豬呼吸道相關病毒的流行病學資料,為我國川西高原地區(qū)的藏豬呼吸道疾病的科學防控提供參考依據(jù)。