禾本科植物群落的病毒組豐度/組成與人為管理/植物多樣性變化的相關(guān)性
瀏覽次數(shù):438 發(fā)布日期:2023-4-26
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現(xiàn)代農(nóng)業(yè)通過簡(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)到的外來靶序列(PLRV、BSV)平均占文庫中總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,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(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。
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.