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水禽和岸禽病毒的宿主特异性和关联性

来源:admin    发布时间:2020-09-08   阅读数:100

Virome heterogeneity and connectivity in waterfowl and shorebird communities

水禽和岸禽病毒的宿主特异性和关联性

作者:Michelle Wille, Mang Shi, Marcel Klaassen, et al.

期刊:ISME Journal

时间:2019.6

IF:9.493

DOI: https://doi.org/10.1038/s41396-019-0458-0?


一、研究背景

宿主-微生物动力学模型常被假定为单个宿主被单一病原体感染的特定条件。但实际上,宿主大都会被一群病原体感染。我们用宏转录组技术探索了9种鸟类(5种雁形目(鸭类)和4种鸻形目(岸禽))的病毒组情况。在这些鸟类中共找到27种病毒,涵盖dsRNA病毒、ssRNA病毒、逆转录DNA病毒和ssDNA病毒,其中的24种是首次发现。病毒的多宿主性和专一性说明水禽和岸禽病毒的关联性(宿主共享)和特异性(宿主专一),如雁形目中广泛流行的2种多宿主病毒(禽类冠状病毒、流感A病毒(Influenza A virus,IAV))和1种新轮状病毒很好地说明了病毒的宿主关联性,而雁形目和鸻形目之间没有相同的病毒、病毒群落的丰度和多样性差异说明了病毒的宿主特异性。通常,一个宿主中会存在多种病毒,且病毒的群落也很复杂。


二、实验设计

1、 取样:从一项长期监控鸟类IAV的项目中取健康鸟类样本。共获取涉及4种岸禽的434个样本、5种水禽的125个样本。

2、 RNA病毒寻找:提取RNA,构建文库后在Illumina Hiseq 2500 平台上进行测序。筛选出脊椎动物病毒的contigs作为鸟类病毒的数据。对contigs进行注释,选择具有完整病毒基因组、病毒基因组不完整但具有完整RNA依赖型RNA聚合酶(RdRp)基因的病毒构建进化树。

3、 病毒多样性和丰度分析:计算病毒的α多样性和β多样性并进行比较,同时检验β多样性和相关因素对病毒群落结构的影响。


三、实验结果

1、在野生鸟类中发现大量新RNA病毒

我们发现9种禽类文库的病毒和疑似病毒reads的占比差别巨大,分别为0.14%~10.67%和0.00083%~0.327%(图1)。除此之外,文库中还存在大量节肢动物病毒和逆转录病毒的reads(图1)。因无法确定逆转录病毒是来自内源还是外源,所以不进行后续分析。

本研究的病毒contigs总览图
图1 本研究的病毒contigs总览


27种病毒中有24种新病毒(图2),它们包括dsRNA病毒、正义链ssRNA病毒、逆转录DNA病毒和ssDNA病毒。

图2 双分网络图展示宿主及其病毒种类图
图2 双分网络图展示宿主及其病毒种类


2、 新ssRNA病毒

对鸟类星状病毒科的2种新病毒进行鉴定,其中来自红颈滨鹬的病毒组成了新病毒群落,可能在全球均有分布;另外一种粉耳鸭病毒与火鸡病毒很接近。此外,杯状病毒属有3个新种,进化分析将这些病毒聚类到了一个包含鹅、火鸡及红颈反嘴鹬杯状病毒的分支中(图3)。

图3 轮状病毒科的多蛋白(包含RdRp)系统发育树图
图3 轮状病毒科的多蛋白(包含RdRp)系统发育树


小RNA病毒科几乎在所有文库中均存在(图4),其中的2个新种分别来自红颈滨鹬和粉耳鸭。目前已知的鸡形目病毒只存在于鸡形目禽类中,但我们在红颈滨鹬中找到了一个疑似这类病毒的新属。我们还在澳大利亚麻鸭中找到了一个与萨佩罗病毒类似的病毒(图4),在鸻形目中找到了大量与鸽子小RNA病毒B相似的病毒(图4)。根据以前的报道,我们还鉴定到一种β冠状病毒新种。

图4 小RNA病毒科多蛋白(包含RdRp)系统发育图
图4 小RNA病毒科多蛋白(包含RdRp)系统发育


3、 新dsRNA病毒

在2种水禽中鉴定到了3种新的小双节RNA病毒(picobirnavirus, PBV),其中灰鸭PBV X和粉耳鸭PBV与众多近缘病毒组成了一个大进化分支(图5),而灰鸭PBV Y独立于一个人PBV和猪PBV的分支内,说明该病毒转变了宿主(图5),或可能是一种全新的禽类PBV。此外,一种与G型轮状病毒有较远亲缘关系的轮状病毒新种共享以上2个宿主,而灰鸭携带的病毒与F型轮状病毒有远源关系。

图5 小双节RNA病毒科的片段2(包含RdRp)系统发育图
图5 小双节RNA病毒科的片段2(包含RdRp)系统发育


4、 新DNA病毒

新的ssDNA和逆转录DNA病毒同样存在。一种澳大利亚麻鸭细小病毒(ssDNA)属于该科中高度变异的Chapparvovirus(属)(图6)。来自水禽的外生嗜肝病毒(逆转录DNA病毒)具有宿主专一性。

图6 细小病毒科(ssDNA)的NS蛋白进化树


5、 前人研究过的禽类RNA病毒

我们在参与寻找IAV、1型禽腮腺炎病毒和冠状病毒的项目时不仅找到了这些病毒,还发现IAV和γ冠状病毒同时存在于3个文库中。另外,我们还找到来自灰鸭和粉耳鸭的2个IAV亚型,即H9N1和H3N1,这类组合的病毒在大型水禽监控计划中很罕见。


6、 鸟类病毒的宿主特异性和关联性

鸟类病毒的丰度存在差异。红颈滨鹬和尖尾滨鹬的病毒reads最多(0.08%),同一个目的麻鹬鹬的病毒reads最少(0.00018%)。红颈滨鹬的病毒丰度比其他雁形目高很多,而太平洋黑鸭和澳大利亚木鸭的病毒α-多样性却非常低(图7)。这说明鸟类物种和个体差异会影响病毒群落的结构。

禽类的病毒组成(属和种水平)有本质不同(图7)。轮状病毒属的3种病毒丰度较高,几乎在每个文库中均有(图7a)。红颈滨鹬中还存在大量的星状病毒和禽腮腺炎病毒,而δ冠状病毒只出现在尖尾滨鹬中,且丰度高达0.073%(图7a)。雁形目流行多种相同病毒(图7a)。在病毒丰度(科水平)上,雁形目和鸻形目无显著差异。β多样性分析显示病毒的聚类结果和宿主系统发育趋势不一致(图7b),由此可知宿主并不是塑造病毒群落结构的主要因素。

该研究并没有发现雁形目和鸻形目存在相同的病毒种(图3)。而在雁形目的灰水鸭、粉耳鸭、澳大利亚麻鸭中,流行于这些宿主的3种病毒(IAV、γ-冠状病毒、类鸭G型轮状病毒)reads分别占总病毒reads的80%、82%、17%。灰水鸭与太平洋黑鸭进化最接近但没有相同的病毒种,说明宿主对病毒群落的影响有限,而灰水鸭却与最远源的粉耳鸭有2种相同的病毒(图3),这可能是禽类在迁徙时感染病毒的结果。系统发育分析也没有发现病毒种间存在明显的宿主-分类学梯度关系。

宿主对比图


图7 鸟类病毒宿主特异性及分类结构. A:病毒属在宿主中的丰度;B:共进化分析说明宿主进化和病毒组成之间无相关性


四、小结与亮点

该团队运用宏转录组技术,聚焦于寻找并鉴定水禽和岸禽病毒群落,不仅挖掘到27种具有完整基因组结构或完整RdRp基因结构的病毒,其中的24种更是首次发现,为禽类病毒数据库增添了新成员。

水禽和岸禽共有病毒的缺乏说明病毒的特异性,当然,轮状病毒的3个属、水禽中的流感A病毒等有多种宿主,证明病毒同样能在多宿主中传播。总之,该研究深入了解病毒群落特点,证明禽类病毒群落的多样性和复杂性,为以后进一步探索禽类病毒、监控野生禽类病毒情况提供了参考。




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