两株BmNPV对家蚕侵染性差异的分子机制初探

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家蚕(Bombyx mori)是一种具有很高经济价值的泌丝昆虫,养蚕业是中国、印度、越南和泰国等国家3000多万个家庭的主要经济来源[1]。然而每年蚕业生产都会受到病毒、细菌和真菌等病原物的危害,严重影响蚕桑生产安全和蚕农养蚕的积极性;家蚕血液型脓病又是危害最严重的病毒病,是由于家蚕核型多角体病毒(Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus,BmNPV),属于ɑ核型多角体病毒属(Alphabaculovirus)侵染了家蚕所致,每年由于BmNPV侵染家蚕造成的损失占总蚕病的86.92%[2]。流行病学调查结果显示,该病难防难控,业界普遍认为培育对BmNPV具有高度抵抗性的家蚕品种,是控制该病对蚕业生产危害最经济有效的手段。近10年来国内一些研究单位培育了系列抗BmNPV品种,生产上应用的结果也证实抗病效果显著。但近年来有些研究者发现,来自不同地域的BmNPV对同样品种的家蚕具有不同的侵染能力,甚至来自于同一省份的BmNPV对家蚕的致病力也存在差异,这给家蚕抗病育种提出了新的挑战,研究不同地理株系BmNPV对家蚕致病力差异的原因及机理也具有重要意义。因此,本研究选取了两株BmNPV:镇江株(BmNPV ZJ)和云南株(BmNPV YN);以国家审定的夏秋用种的对照品种的亲本白玉作为被BmNPV侵染的宿主。从病毒基因组和宿主应答角度探索不同株系BmNPV致病力差异的分子机理,主要研究结果如下:(1)两株BmNPV致病力测定及比较以白玉为实验材料。待家蚕发育至2龄起蚕时,使用不同梯度浓度的BmNPV ZJ和BmNPV YN经口接种病毒,对两株BmNPV进行致病力测定及比较。结果显示BmNPV ZJ对白玉品种家蚕LC50为6.45×10~6PIB/m L,BmNPV YN则为3.62×10~5PIB/m L,即BmNPV YN具有更强高的致病力。选择BmNPV极早期、早期、晚期、极晚期的4个基因ie-1、p143、vp39、polh进行q PCR,检测两株BmNPV的增殖情况。结果显示,12~96 h内在白玉中肠中,BmNPV ZJ以上4个基因的相对表达量均高于BmNPV YN,说明BmNPV ZJ对白玉的致死浓度高于BmNPV YN,而BmNPV YN株可能属于仅需较少的增殖量就能杀死宿主的病毒类型。(2)基于BmNPV的基因组分析造成两株BmNPV侵染性差异的分子机制利用Illumina第二代测序技术和Pacbio第三代测序技术相结合的方法对两株BmNPV进行全基因组测序。结果表明,BmNPV ZJ和BmNPV YN全基因组大小分别为135 895 bp和143 180 bp,各自有141和145条CDS序列,GC含量分别为40.93%和39.71%。通过比对两株BmNPV的基因组序列,发现它们基因组间存在大量的SNP突变和In Del变异,这也是导致两株BmNPV基因长度、数目和编码基因数发生改变的原因。经统计,两株BmNPV共有76个基因存在氨基酸序列差异,包括22个核心基因、36个非核心基因和其它分类尚不清晰的基因,涉及到BmNPV的经口感染因子、BmNPV复制、阻碍宿主蜕皮和化蛹等诸多基因。通过生物信息学分析,发现两株BmNPV部分基因核苷酸序列的差异使得其编码蛋白的二级结构产生变化。因此,我们推测,可能由于地理环境的差异,使得不同地理株系BmNPV部分基因发生了突变和重排,导致这些基因编码蛋白的功能发生变化,从而导致两株BmNPV致病力存在差异。(3)家蚕感染BmNPV后转录组水平探究两株BmNPV侵染性差异原因对5龄幼虫经口添食两株BmNPV,取第12 h、24 h和48 h的白玉中肠组织进行转录组测序,共发现2592个差异表达基因。其中,第12 h、24 h和48 h分别有1702个、847个和443个差异基因,可见随着时间推移,两株BmNPV对家蚕影响差异变小。对样品间差异表达基因进行GO注释,发现共有1690个差异表达基因获得GO注释,共涉及52个二级功能条目。KEGG富集分析表明,添食BmNPV ZJ与BmNPV YN后,共有1037个差异表达基因富集在117条代谢通路。进一步分析发现,第12 h、24 h和48 h均有差异表达基因富集在溶酶体代谢通路中。其中,溶酶体膜糖蛋白(CD63 antigen,KWMTBOMO14236)、溶酶体内组织蛋白酶B(Cathepsin B,KWMTBOMO10376)和溶酶体酸性脂肪酶(Lysosomal acid lipase,KWMTBOMO06653)基因表达量差异较大。以上结果暗示,不同株系BmNPV侵染后,家蚕启动的抗BmNPV应答水平不同。溶酶体代谢途径可能直接或间接的参与家蚕应对BmNPV侵染过程。其中,相较于BmNPV ZJ株,BmNPV YN株侵染后,溶酶体主要膜蛋白CD63相关基因表达下调,溶酶体组织蛋白酶B相关基因表达上调,影响了由溶酶体介导的细胞自噬/异噬和细胞凋亡,使得家蚕对不同株系BmNPV侵染表现出不一致的抵抗力。研究结果可为进一步探究造成不同株系BmNPV病毒致病力差异的分子机理提供新思路。总之,我们推测由于地理环境的差异,导致两株BmNPV部分基因发生突变和重排。其中,经口感染因子(PIFs)基因序列的差异,可能会对BmNPV侵染家蚕中肠上皮细胞的过程产生影响。随着时间的延长,BmNPV开始侵入蚕体内部,家蚕机体的天然免疫应答开始启动。溶酶体代谢途径可能直接或间接的参与家蚕应对BmNPV侵染过程。然而不同株系BmNPV侵染后,家蚕启动的抗BmNPV应答水平不同。其中,两株BmNPV侵染后,溶酶体内相关基因表的达水平不同,影响了由溶酶体介导的一系列免疫应答反应,最终使得家蚕对这两株BmNPV侵染表现出不一致的抵抗力。
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家蚕核型多角体病毒(Bombyx mori Nuclear Polyhedrosis Virus,Bm NPV)是家蚕血液型脓病的病原,也是危害养蚕业的主要病原之一。家蚕一旦感染Bm NPV便会出现大批死亡,影响蚕丝生产稳定发展。为有效控制Bm NPV感染,从培育抗病家蚕新品种到筛选相关抗性基因等,蚕业学者们进行了大量的研究从而试图揭示家蚕与Bm NPV的相互作用机理,但到目前为止,其机制仍不详。
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