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侵染中国甘蔗和玉米的SCMVCP基因序列多样性分析


中国农业科学 2007,40(1):84-91 Scientia Agricultura Sinica

侵染中国甘蔗和玉米的 SCMV CP 基因序列多样性分析
周国辉,许东林,陈晓琴
(华南农业大学资源环境学院,广州 510642)

摘要: 【目的】揭示侵染中国甘蔗及玉米的甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosa

ic virus,SCMV)的遗传多样性, 为抗病品种培育及病害综合防治提供依据。 【方法】以病株叶组织总 RNA 抽提物为模板,通过 RT-PCR 扩增及扩增 产物直接测序获得了华南地区 SCMV 26 个甘蔗及玉米田间分离物的近全长 CP 基因序列,结合 GenBank 中已公布的 部分相应序列,采用序列比对及分子系统进化树重建方法,对 SCMV CP 基因序列的变异性进行分析。 【结果】中国 SCMV 可分为 3 个分子组群, 各组群分别对应于各自来源的寄主, 即杂种甘蔗(糖用甘蔗, Saccharum interspecific hybrids)、玉米(Zea mays)和高贵甘蔗(果用甘蔗,Saccharum officinarum) 。CP 基因核苷酸同一性,不同组群 之间为 78%~84%,同一组群内部各分离物之间大于 91%。在分子系统进化树中,这 3 个分子组群各自聚集成簇, 前两个组群分别隶属于 Alegria 等(2003)建立的甘蔗组(sugarcane group,SCE 组)和玉米组(maize group, MZ 组) ,第 3 个组群为本研究首次发现,命名为高贵甘蔗组(noble sugarcane group,NSCE 组) 。侵染杂种甘蔗 的 SEC 组不存在明显的地域分化,而侵染玉米和高贵甘蔗的 MZ 组和 NSEC 组则可对应地理来源分为若干亚组,前 者可分为华东华中亚组、西北西南亚组及华南亚组,后者至少包括华南亚组和浙江亚组。在玉米、杂种甘蔗及高 贵甘蔗混栽区,不同作物上的 SCMV 可以通过蚜虫传播而交叉侵染,但各组群间依寄主种类存在相对隔离现象。本 研究还发现中国华南地区,SCMV 可自然侵染甘蔗近缘属杂草河八王(Narenga sp.)和芒(Miscanthus sp.)【结 。 论】在中国,SCMV 存在丰富的遗传多样性,其分化与寄主类型密切相关,可分为杂种甘蔗组、玉米组和高贵甘蔗 组,其中玉米组和高贵甘蔗组又可根据地理来源分为若干亚组。在抗病品种的选育及病害综合防治中,必须充分 考虑到病毒的这种分化现象。 关键词:甘蔗花叶病毒;CP 基因;序列分析;遗传分化

Sequence Diversity in the CP Coding Region of Sugarcane Mosaic Virus Isolates Infecting Sugarcane and Maize in China
ZHOU Guo-hui, XU Dong-lin, CHEN Xiao-qin
(College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642) Abstract: 【Objective】The study was conducted to reveal genetic diversity of Sugarcane mosaic virus (SCMV) isolates infecting sugarcane and maize and to provide theoretical references for resistance breeding and integrated management of mosaic disease in China. 【Method】26 fragments of the near-full-length SCMV coat protein (CP) gene were obtained by reverse-transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) using total RNA extracted from diseased sugarcane and maize leaves from south China as templates. Their nucleotide sequences were determined directly by Sanger’s method, and then the obtained sequences, together with partial corresponding sequences of SCMV-CP available in GenBank (mainly from China), were used for nucleotide identity analysis and molecular phylogenetic reconstruction.【Result】SCMV isolates in China could be divided into three molecular groups that coincidently correlated to their respective original hosts, hybrid sugarcane (Saccharum interspecific hybrids, for sugar milling), maize (Zea mays) and noble sugarcane (Saccharum officinarum, for chewing). Nucleotide identities among the groups were 78%-84%, and >91% within the group. Molecular phylogenetic reconstruction based on the SCMV-CP gene sequences showed a strong correlation, forming three host-species-dependent clusters. The first and second cluster corresponded with the
收稿日期:2006-04-07;接受日期:2006-10-19 基金项目:广东省自然科学基金(5006669)和广东省科技攻关项目(2003B21604) 作者简介:周国辉(1963-) ,男,安徽太湖人,博士,副教授,研究方向为植物病毒及病毒病。Tel: 020-85280306; E-mail: ghzhou@scau.edu.cn

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周国辉等:侵染中国甘蔗和玉米的 SCMV CP 基因序列多样性分析

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sugarcane group (SCE group) and maize group (MZ group), which were reported previously, whereas the third cluster was founded first in this study. We designed it as the noble sugarcane group (NSCE group) according to the isolate host origin. In China, no significant geographical divergence was found among SCMV isolates from hybrid sugarcane, whereas the MZ group and NSCE group could be further divided into some subgroups based on the identities of SCMV-CP, which correlated with geographical origin. MZ group included subgroups of East and Middle China, Northwest and Southwest China and South China, while in NSCE group, there were at lest two subgroups of Zhejiang and South China. Notwithstanding the phenomenon of host species-dependent population structure of SCMV, field investigation indicated that the cross-infection among SCMV population via aphid-transmission occurred occasionally in mixed growing areas of maize and sugarcane. In addition, our results show that Narenga sp. and Miscanthus sp., two species of weeds closely related to sugarcane, could be infected by SCMV in the nature.【Conclusion】A great genetic variability of SCMV was observed in China. It appears that the population of SCMV from sugarcane and maize in China contains three genotypes according to their respective host: SEC group from Saccharum interspecific hybrids, MZ group from maize and NSCE group from Saccharum officinarum. Meanwhile the MZ group and NSCE group could be divided several subgroups according to isolate geographical origin. This situation should be taken into consideration in resistance breeding program and disease integrated management. Key words: Sugarcane mosaic virus; Coat protein gene; Sequence analysis; Genetic divergence

0

引言
【研究意义】玉米作为中国重要的粮食和饲料作

性的真实情景开始呈现出来。2003 年,Alegria 等[14] 通过对病毒 CP 基因序列的分析将当时已知的 86 个 SCMV 分离物划分为 2 个遗传进化组,这种划分恰好 与 病 毒的 寄主 来 源相 吻合 , 遂将 其命 名 为甘 蔗组 (Sugarcane group, SCE 组) 和玉米组 (Maize group, MZ 组),组下还可分为若干亚组,而亚组的划分恰 好与病毒的地理来源相对应。2005 年,Gemechu 等[15] 认为他们在泰国获得的 SCMV 2 个甘蔗分离物和 1 个 玉米分离物不属于 SCE 组和 MZ 组, 而建议设立甘蔗 /玉米组(SCE/MZ 组)。2006 年,Espejel 等[16]根据 病毒 CP 基因序列将 SCMV 分为 3 个组,来源于世界 各地玉米的所有分离物(除 MDB 株系外)归于 1 个 组;来源于澳大利亚和美国甘蔗的分离物归为另 1 个 组;而来源于中国甘蔗(实际为果用高贵甘蔗,noble sugarcane,Saccharum officinarum,陈炯,私人通信) 的 3 个分离物单独归为 1 个组。【本研究的切入点】 病毒的遗传多样性是其基因组核苷酸序列变异的表 现,马铃薯 Y 病毒科成员的 CP 基因核苷酸序列变异 情况能够准确反映其全基因组的变异情况
[17]

物广泛种植于中国各地。甘蔗不但作为糖料作物大面 积种植于我国南方各省区,而且作为水果零星种植于 中国绝大部分地区,此外,甘蔗还是中国南方最具潜 力的能源作物之一[1]。花叶病是中国玉米和甘蔗上的 重要病害, 近年的研究表明, 甘蔗花叶病毒 (Sugarcane mosaic virus,SCMV)是中国玉米和甘蔗花叶病的主 要病原
[2~4]

。了解中国 SCMV 的遗传多样性是进行玉

米和甘蔗抗病育种及病害综合防治的重要基础。【前 人研究进展】20 世纪 90 年代以前,人们曾将侵染甘 蔗、玉米等多种禾本科植物的线状病毒按寄主来源简 单地划分为甘蔗花叶病毒和玉米矮花叶病毒(Maize dwarf mosaic virus,MDMV) 。此后的研究表明它 们应划分为 4 个不同的病毒种,即 SCMV、MDMV、 高粱花叶病毒(Sorghum mosaic virus,SrMV)和约翰 逊草花叶病毒(Johnsongrass mosaic virus,JGMV), 这 4 种病毒的主要生物学性状相似,构成甘蔗花叶病 毒亚群(SCMV subgroup),隶属于马铃薯 Y 病毒科 (Potyviridae)马铃薯 Y 病毒属(Potyvirus)
[9] [6~8] [5]

。 目前中

国有关侵染玉米的 SCMV 分子生物学及遗传多样性 而有关侵染甘蔗的 SCMV 分子 研究文献较多[2,4,18~20], 生 物 学及 遗传 多 样性 的研 究 还较 少并 集 中在 果蔗 上[2,19]。在已有资料的基础上,对中国玉米及甘蔗上 SCMV 遗传多样性进行较全面的研究很有必要,而且 切实可行。 【拟解决的关键问题】 本研究通过 RT-PCR 扩增及扩增产物直接测序获得了华南地区 SCMV 多 个甘蔗及玉米田间分离物的近全长 CP 基因序列,结 合 GenBank 中已公布的相应序列,对中国 SCMV CP

。近

年 又 发 现 侵 染 以 色 列 玉 米 的 玉 米 花 叶 病 毒 ( Zea mosaic virus, ZeMV) 和侵染中国白草的白草花叶病 毒(Pennisetum mosaic virus, PenMV)[10]可能为该 亚群的新成员。 新定义的 SCMV 仍然是 1 个包含多个 遗传变异类群的病毒种。1990 年代中期以来,不断有 采用病毒基因组部分序列分析来揭示 SCMV 多样性 的研究报道
[11~13]

,随着研究资料的积累,SCMV 多样

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基因序列的变异性进行较全面的分析,以期揭示中国 SCMV 的遗传多样性,为抗病品种培育及病害综合防 治提供参考。

以叶组织总 RNA 为反应模板, 采用 TaKaRa 公司 的 one step RNA PCR kit (AMV) SCMV CP 基因 对 (全 长 0.94 kb)进行一步 RT-PCR 扩增,反应体系参照说 明书。 RT-PCR 上游引物为 SCMV-F5: 5′-GAAGAXGT YTTCCAYCAAFCXGGAAC-3′(-18~+8,Y=C/T, X=T/A,F=G/T),该引物根据 GenBank 数据库已公 布 SCMV 序列对 Alegria 等
[14]

1

材料与方法
2004 年 5 月~2005 年 10 月,先后从中国广东、

1.1 样品采集及病叶组织总 RNA 抽提 广西与海南各地采集表现花叶症状的玉米、糖用杂种 甘 蔗 ( hybrid sugarcane , Saccharum interspecific hybrids)、果用高贵甘蔗及甘蔗近源属杂草禾八王 (Narenga sp.) 与芒 (Miscanthus sp.) 的叶片样品 (表 1) 采用洛阳华美生物工程公司的 Total RNA Isolation , System(I)抽提各样品总 RNA,-20℃保存备用。 1.2 RT-PCR 及其产物纯化、序列测定
表1 样品来源及其所测 SCMV CP 基因片段序列特征

所采用的 SCMV-F4 作

了改进, 与模板的结合位点向基因组上游推进了 14 nt 并 增 加了 简并 碱 基的 数目 , 以期 能够 扩 增更 多的 SCMV 分子变异体; 下游引物为 SCMV-R3: 5′-AGCTG TGTGTCTCTCTGTATTCTC-3′(+888~+865),与 Alegria 等所采用的 SCMV-R3 完全相同。RT-PCR 程 序为: ℃ 30 min; ℃ 2 min; ℃ 30 s, ℃ 30 s, 45 94 94 52 72℃ 1 min,35 个循环;72℃ 5min。扩增产物经 1.2%

Table 1
样品名称 Name sh-dz sh-xw1 sh-xw2 sh-sx sh-gz1 sh-gz2 sh-gz3 sh-gz4 sh-wy sh-hp1 sh-hp2 sh-hp3 sh-nn so-bl1 so-bl2 so-bl3 so-bl4 so-bl5 so-bl6 so-bl7 so-bl8 so-nn mz-gz1 mz-gz2 wd-sg wd-dz
1)

Description of SCMV isolates and viral CP coding region sequences
采集时间 Date of sampling 2004-11 2004-11 2004-11 2004-11 2005-09 2005-09 2005-10 2005-10 2005-07 2004-07 2004-07 2004-07 2005-02 2005-05 2005-07 2005-07 2005-07 2005-09 2005-09 2004-10 2004-10 2005-02 2005-07 2005-10 2004-09 2004-11 来源地 Geographical origin 1) 海南儋州 Danzhou, HN 广东徐闻 Xuwen, GD 广东徐闻 Xuwen, GD 广东遂溪 Suixi, GD 广东广州 Guangzhou, GD 广东广州 Guangzhou, GD 广东广州 Guangzhou, GD 广东广州 Guangzhou, GD 广东翁源 Wengyuan, GD 广西合浦 Hepu, GX 广西合浦 Hepu, GX 广西合浦 Hepu, GX 广西南宁 Nanning, GX 广东博罗 Boluo, GD 广东博罗 Boluo, GD 广东博罗 Boluo, GD 广东博罗 Boluo, GD 广东博罗 Boluo, GD 广东博罗 Boluo, GD 广东博罗 Boluo, GD 广东博罗 Boluo, GD 广西南宁 Nanning, GX 广东广州 Guangzhou, GD 广东广州 Guangzhou, GD 广东韶关 Shaoguan, GD 海南儋州 Danzhou, HN 寄主 Natural host 2) 新台糖 10 号 ROC 10 新台糖 16 号 ROC 16 粤糖 96-177 Yuetang 96-177 粤糖 93-159 Yuetang 93-159 Q99 Q99 Q99 粤农 91-600 Yuenong 91-600 粤农 87-1305 Yuenong 87-1305 桂糖 16 Guitang 16 桂糖 16 Guitang 16 桂糖 16 Guitang 16 新台 22 号 ROC 22 黑皮果蔗 S. officinarum 黑皮果蔗 S. officinarum 黑皮果蔗 S. officinarum 黑皮果蔗 S. officinarum 黑皮果蔗 S. officinarum 黑皮果蔗 S. officinarum 青皮果蔗 S. officinarum 青皮果蔗 S. officinarum 黑皮果蔗 S. officinarum 玉米 Zea mays 玉米 Zea mays 河八王 Narenga sp. 芒 Miscanthus sp. 测序长度 Size (bp) 780 773 642 842 860 854 785 843 822 856 859 726 778 636 851 846 892 860 859 703 845 771 835 828 862 866 GenBank 登录号 Accession no. DQ316234 DQ316245 DQ316246 DQ316243 DQ316235 DQ316236 DQ316237 DQ316238 DQ316244 DQ316239 DQ316240 DQ316241 DQ316242 DQ316253 DQ316247 DQ316254 DQ316248 DQ316249 DQ316250 DQ316255 DQ316256 DQ316257 DQ316233 DQ316232 DQ316252 DQ316251

杂种甘蔗样品 Isolates from Saccharum inter-specific hybrids

高贵甘蔗样品 Isolates from S. officinarum

玉米样品 Isolates from Zea mays

杂草样品 Isolates from weeds

HN=Hainan province; GD=Guangdong province; GX=Guangxi zhuang nationality autonomous region. 2) Only the cultivar name is listed if the natural host is hybrid sugarcane (Saccharum inter-specific hybrid)

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琼脂糖凝胶电泳后以 UNIQ-10 柱式通用 DNA 纯化试 剂盒(上海生工生物工程技术服务有限公司)进行纯 化,再由上海英骏生物技术有限公司以 SCMV-R3 作 为测序引物, 采用 ABI3730 测序仪对其进行直接测序。 所得序列登录 GenBank(表 1)。 1.3 SCMV CP 基因序列比对及系统遗传学聚类分析 运用软件 DNAMAN 4.0 以及软件 DNAStar 5.01
表2

中的 MegAlign 程序进行 SCMV CP 基因序列信息的处 理和分析。采用 Clustal W 方法对本研究所获的 26 个 SCMV CP 基因片段序列(表 1)与 GenBank 中已公 布的部分 SCMV 代表性株系或分离物 (以中国各地分 离物为重点) CP 基因序列 的 (表 2) 进行多序列联配, 采用 Neighbor-joining 方法重构进化树。

序列比对及进化树构建中所引用的病毒株系或分离物及其序列来源
来源地 Geographical origin 美国 USA 美国 USA 美国 USA 美国 USA 澳大利亚 Australia 中国浙江 Zhejiang, China 中国浙江 Zhejiang, China 中国浙江 Zhejiang, China 中国甘肃 Gansu, China 中国四川 Sichuan, China 中国云南 Yunnan, China 中国山东 Shandong, China 中国北京 Beijing, China 中国广东 Guangdong, China 中国河南 Henan, China 中国浙江 Zhejiang, China 德国 German 西班牙 Spain 美国 USA 泰国 Thailand 泰国 Thailand 泰国 Thailand 泰国 Thailand 美国 USA 美国 USA 美国 USA 美国 USA 中国 China 寄主 Natural host 杂种甘蔗 S. inter-specific hybrid 杂种甘蔗 S. inter-specific hybrid 杂种甘蔗 S. inter-specific hybrid 杂种甘蔗 S. inter-specific hybrid 杂种甘蔗 S. inter-specific hybrid 高贵甘蔗 S. officinaruma 高贵甘蔗 S. officinaruma 高贵甘蔗 S. officinaruma 玉米 Zea mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 甘蔗 Saccharum sp. 甘蔗 Saccharum sp. 蕉麻 Musa textiles 杂种甘蔗 S. inter-specific hybrid 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 玉米 Z. mays 白草 Pennisetum centrasiaticum GenBank 登录号 Accession no. U57354 U57355 U57356 U57357 D00948 AJ310102 AJ310103 AJ310104 AJ421467 AJ421468 AJ421469 AJ310111 S77088 AJ310105 AF494510 AJ271085 X98169 AJ311169 D00949 AY629312 AY629311 AY63092 AY222743 U57358 U07217 U07216 AF228693 AY172336

Table 2 Description of viruses and their sequence number used for phylogenetic tree analyses
株系或分离物 Virus/Strain/isolate SCMV-A SCMB-B SCMV-D SCMV-E SCMV-SC SCMV-lp SCMV-xs SCMV-yh SCMV-GS SCMV-SiCh SCMV-YN SCMV-SD SCMV-BJ SCMV-GD SCMV-HeN SCMV-ZJ SCMV-Hoenstedt SCMV-Spanish SCMV-MDB SCMV-Sara SCMV-UD7 SCMV-UT6 SCMV-Abaca SrMV-H JGMV-MDO MDMV-A ZeMV PenMV
a

经与作者通讯联系确定寄主类型 Determined by communicating with the sequence submitter

2

结果与分析
从广东、广西、海南等地采集的高贵甘蔗、杂种

25%(2/8),玉米 27.3%(3/11)。部分显症样品的 RT-PCR 扩增结果呈阴性,可能是扩增条件不宜,也 可能是其它因素所致的类似症状,例如玉米在缺乏微 量元素时其叶部症状极易与病毒所致的花叶症状相混 淆。 对 30 份扩增产物直接测序,结果有 26 份测序成 功,所得序列登录 GenBank 数据库(表 1),其有效 长度除其中两个序列分别仅有 642 bp 和 636 bp 外 (原

2.1 病毒 CP 基因的 RT-PCR 扩增及扩增产物测序 甘蔗、玉米及甘蔗近缘属杂草的显症叶片样品,大部 分可由 RT-PCR 扩增获得与预期大小相符的 DNA 产 物,阳性扩增率分别为:高贵甘蔗 81.3%(13/16), 杂种甘蔗 86.7%(26/30),河八王 40%(4/10),芒

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因不明),大多数在 720~870 bp 之间,接近病毒 CP 基因全长; 另有 4 份产物直接测序无信号或信号杂乱, 可能是样品的纯度不高所致。 2.2 病毒 CP 基因序列同一性分析 采用 DNAMAN 4.0 中的 Full Alignment 方法对本 研究所获的 26 个病毒 CP 基因片段及 GenBank 中已报 道的一些 SCMV 代表性株系和分离物的相应片段进 行多序列联配。核苷酸同一性计算结果表明,所获 26 个 序 列 之 间 核 苷 酸 同 一 性 为 76.2% ~ 99.8% , 与 SCMV-A、-B、-D、-E 及-SC 等株系之间的核苷酸同 一性为 76.6%~96.7%,根据 Adams 等
[17]

等[19]鉴定的 1 个广州玉米分离物(SCMV-GD)之间 的核苷酸同一性高达 91.5%,与已报道的中国其它各 地玉米分离物及两个欧洲玉米分离物(属于 MZ 组) 之间的同一性为 85%~87%, SEC 组之间的同一性 与 为 75.2%~88.1%,故可归属 MZ 组,而 mz-gz2 与 MZ 组(含 SCMV-GD、mz-gz1,下同)的核苷酸同 一性仅 78.3%~79.2%,却与 SCE 组之间同一性较高 (91.3%~99.3%);9 个高贵甘蔗分离物可分两类: (1)其中 4 个与 SCE 组高度同源(CP 核苷酸同一性 >94%),(2)另 5 个分离物与 Chen 等
[19]

鉴定的 3

关于马铃薯

个浙江高贵甘蔗分离物(AJ310102~AJ310104)之间 的 CP 核苷酸同一性为 84.5%~89.7%,而这 8 个高贵 甘蔗分离物与 SCE 组(含上述 4 个与 SCE 组高度同 源的高贵甘蔗分离物)之间的核苷酸同一性为 74.5%~89.5%,与 MZ 组之间的同一性为 80.5%~ 88.9%,应视为一个新遗传变异组,将其命名为高贵 甘蔗组 (noble sugarcane group, NSCE group) (表 3) 。 2.3 基于病毒 CP 基因序列的系统遗传学聚类分析

Y 病毒科成员的种间划分标准(CP 核苷酸同一性< 76%),鉴定该 26 个病毒样品均为 SCMV 分离物。 在所获 26 个序列中, 其中 13 个杂种甘蔗分离物、 2 个甘蔗近缘属杂草分离物与 A、B、D、E、SC 等株 系高度同源 (CP 核苷酸同一性>91%) 可归属 SCMV , SCE 组;2 个广州玉米分离物 mz-gz1、mz-gz2 之间的 CP 核苷酸同一性仅为 79.1%,其中 mz-gz1 与 Chen
表3

SCMV 各类群及与若干特殊株系之间的 CP 基因平均核苷酸同一性(%)
甘蔗组 a SCE groupa 95.6 玉米组 b MZ groupb 79.4 91.3 甘蔗/玉米组 c SCE/MZ groupc 78.6 80.5 98.6 高贵甘蔗组 d NSCE groupd 80.0 84.1 78.8 91.4 MDB 株系 SCMV-MDB 76.1 82.0 81.1 78.0 — 蕉麻株系 SCMV-Abaca 75.9 80.3 78.8 77.6 79.1

Table 3 Average CP coding region nucleotide identities (%) between phylogenetic groups and special strains of SCMV
组/株系 Group/Strain 甘蔗组 SCE group 玉米组 MZ group 甘蔗/玉米组 SCE/MZ group 高贵甘蔗组 NSCE group MDB 株系 SCMV-MDB
a

:该组由 Alegria 等 [14]建立,包括澳大利亚、美国、非洲等地甘蔗(Saccharum spp.)分离物及本文所获的 13 个杂种甘蔗分离物、2 个甘蔗近源属杂 草分离物;b:该组由 Alegria 等 [14]建立,包括世界各地玉米分离物(除 SCMV-MDB 外)及本文所获的 mz-gz1 分离物;c:该组由 Gemechu 等 [15] 建立,包含表 2 所列的 3 个泰国分离物;d:该组由本文建议建立,包括本文所获的 5 个高贵甘蔗分离物(so-bl1、so-bl3、so-bl7、so-bl8 与 so-nn) 及 Chen 等 [19]鉴定的 3 个中国浙江高贵甘蔗分离物(AJ310102~AJ310104) a This group was founded by Alegria et al [14], including isolates from sugarcane (Saccharum spp.) in Australia, USA and South Africa and 13 isolates from Saccharum inter-specific hybrid, 2 isolates from weeds (relationally close to sugarcane) obtained in this study. b This group was founded by Alegria[14], including isolates from maize(with an exception of SCMV-MDB) worldwide and isolate mz-gz1 obtained in this study. c This group was proposed by Gemechu et al [15], including 3 Thailand isolates listed in Table 2. d This group was proposed by our suggestion, including 5 isolates (so-bl1, so-bl3, so-bl7, so-bl8, and so-nn) obtained in this study and 3 isolates(AJ310102-AJ310104) identified by Chen[19], all from noble sugarcane in China

基于病毒 CP 基因序列重建的系统进化树(图 1) 显示,在 SCMV 种内存在丰富的遗传多样性,若以 10%核苷酸变换率(nucleotide substitution)为界限, 可将 SCMV 分为 4 个组和 2 个特例: 1 组寄主主要 第 为杂种甘蔗,相当于 Alegria 等
[14]

别是分离自美国玉米的 MBD 株系和分离自菲律宾蕉 麻的 Abaca 分离物。若以 12%核苷酸变换率为界限, 可将 SCMV 划分为 3 个组:SCE 组和 NSCE 组不变, 而 MZ 组、 SCE/MZ 组以及 SCMV-MDB、 SCMV-Abaca 合并成一组,建议仍称为 MZ 组。若以 15%核苷酸变 换率为界限,则将 SCMV 划分为 2 个组,第 1 组为 SCE 组,但第 2 组生物学意义显然过于庞大,不仅包 含欧洲、美国和中国的玉米分离物,还包含了中国的 高贵甘蔗分离物及泰国的甘蔗和玉米分离物。基于分 子聚类应当尽可能反映生物学意义的考虑, 本文认为,

确立的 SCE 组;第
[14]

2 组寄主为玉米,相当于 Alegria 等 相当于 Gemechu 等
[15]

确立的 MZ 组;

第 3 组仅包括 3 个泰国分离物,寄主为甘蔗和玉米, 新近确立的 SCE/MZ 组;第 4 组 寄 主为 中国 高 贵甘 蔗, 建 议命 名为 高 贵甘 蔗组 (noble sugarcane group,NSCE group);2 个特例分

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以 12%核苷酸变换率为界限将 SCMV 划分为 3 个组较 为合适, 因为 Gemechu 等[15]确立的 SCE/MZ 组是否真 实存在尚待进一步证实。 从图还可看出, 中国 SCMV 杂种甘蔗分离物均位 于 SCE 组内, 未见各分离物之间存在明显差异或根据 地理来源聚成亚组的现象,这与 Alegria 等[14]的研究 结果不一致,可能与中国各杂种甘蔗(糖蔗)产区种 苗来源单一并且调运频繁有关。 中国 SCMV 玉米分离 物均位于 MZ 组内, 但对应地理来源聚集成 3 个亚组, 即华东华中亚组、西北西南亚组及华南(广州)亚组, 这种亚组的划分恰好与各产区的生态特点和玉米品种 类型相关。中国 SCMV 高贵甘蔗分离物不但独立成 组,而且组内可对应地理来源进一步分为亚组,本研 究揭示至少存在 2 个亚组,即华南(广东及广西)亚 组和浙江亚组,其他地区高贵甘蔗分离物的多样性尚 有待研究。值得指出的是,本研究获得的 2 个甘蔗近 缘属杂草分离物、4 个高贵甘蔗分离物及 1 个玉米分 离物位于 SCE 组内(图)。

3

讨论
本研究根据病毒 CP 基因序列同一性及聚类分析

的结果建议将 SCMV 划分为 SCE、MZ 和 NSCE 3 个 遗传变异组,其中 NSCE 组为首次确立,目前仅发现 于中国甘蔗高贵种上。甘蔗是甘蔗属(Saccharum)的 统称,一般认为该属包括 6 个种:野生种 2 个,即割 手密(S. spontaneum L.)和大茎野生种(S. robustum Brandes & Jeswiet ex Grassel);栽培种 4 个,即高贵 种 (S. officinarum L., 又称热带种) 印度种 、 (S. barberi Jeswiet) 中国种 、 (S. sinense Roxb.) 和食穗种 (S. edule Hassk)[21]。在甘蔗的育种过程中,栽培种之间、栽培 种与野生种之间实现了复杂的种间杂交,目前世界上
核甘酸变换率 Nucleotide substitution (×100) sh 代表杂种甘蔗,so 代表高贵甘蔗,mz 代表玉米,wd 代表杂草。SEC 组中除箭头所示外,所有分离物均来自杂种甘蔗;MZ 组中除-Abaca 来 自蕉麻外,所有分离物均来自玉米。NSCE 组中-xs,-lp 和-yh 3 个分离物 的寄主经与作者通信联系证实 sh stands for Saccharum inter-specific hybrids; so stands for S. officinarum; mz stands for maize; wd stands for weed. Isolates in SEC group were from Saccharum inter-specific hybrids except arrow indicated; Isolates in MZ group were from maize except –Abaca. Original host of isolates -xs,-lp and –yh was verified by communication with the sequence submitter

大部分地区所栽培的均为种间杂交复合体 (inter-specific hybrid complex)[22]。中国糖料蔗均为 种间杂交复合体,而直接食用的果蔗多为高贵种[22]。 中国是甘蔗起源地之一,果蔗栽培历史超过 2000 年, 一直采用蔗茎留种无性繁殖, 虽然无法判断 SCMV 最 初是在何时、以何种方式侵染中国果蔗的,但从本研 究的结果可以推断,SCMV 可能通过无性繁殖材料在 我国果蔗上传播扩散并与寄主协同进化了很长时间, 形成了独立的、不同于玉米分离物和杂种甘蔗分离物 的遗传变异类型。 本研究将中国 SCMV 分为 3 个组,这一结果与

图 Fig.

基于病毒 CP 基因序列重建的 SCMV 进化树 Phylogenetic tree based on SCMV-CP coding region sequences

90













40 卷

Espejel 等[16]最近报道的结果相一致。 Espejel 等通过基 于 SCMV CP 基因序列的系统进化树重建,认为来源 于世界各地的玉米分离物(除 MDB 株系外)、来源 于澳大利亚和美国的甘蔗分离物及来源于中国的 3 甘 蔗分离物(SCMV-xs,-lp 和-yh)各自成组。但由于 GenBank 中的资料不详,他们未能将中国的 3 个甘蔗 分离物与高贵甘蔗联系起来。 Gemechu 等
[15]

发生于玉米上, 高贵甘蔗组主要发生于果用 (高贵种) 甘蔗上。中国 SCMV 甘蔗组不存在明显的地域分化, 而玉米组和高贵甘蔗组存在地域分化。 在自然条件下, 尽管不同种类寄主上的 SCMV 可以通过蚜传发生偶 然的交叉侵染,但从群体水平上病毒各组间存在明显 的寄主隔离现象。 本研究还首次证实华南地区甘蔗近缘属杂草河八 王和芒受到了甘蔗组 SCMV 的自然侵染。
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报道了泰国 SCMV 1 个玉米分离物

和 2 个甘蔗分离物的 CP 基因序列,这 3 个分离物 CP 基因之间的核苷酸同一性很高,而与已知的其他分离 物同一性较低, 在系统进化树中聚集成一个独特的簇, 因而建议将其作为一个独立的遗传变异组,并命名为 SCE/MZ group。在本研究构建的系统进化树中,若以 10%核苷酸变换率为标准,这 3 个分离物的确单独成 组,但这样会使分离自美国玉米的 MBD 株系和分离 自菲律宾蕉麻的 Abaca 分离物无法归组,而且这 3 个 分离物显然与 MZ 组关系密切, 而与 SCE 组差异较大。 笔者认为,以 12%的核苷酸变换率为划分界限将该组 并入 MZ 组较为合适。此外,由于泰国玉米和甘蔗在 田间是混合种植的, 不能排除 Gemechu 等从甘蔗上获 得的 2 个分离物是由蚜虫或机械摩擦从玉米上偶然传 播到甘蔗上的。 在本研究获得的 26 个分离物中, 4 个高贵甘蔗 有 分离物和 1 个玉米分离物位于 SCE 组(图 1)。造成 这种现象的原因极有可能与 SCMV 传播侵染特性有 关。 在实验室条件下 SCMV 各组分离物均具有广泛的 寄主范围,而且易经多种蚜虫以非持久性方式或机械 摩擦方式在玉米、甘蔗(包括杂种甘蔗和高贵甘蔗) 以及其他禾本科植物之间传播,在甘蔗与玉米混合栽 培的田间, 不同作物上 SCMV 经蚜虫传播交叉侵染的 情况不可避免。SCMV 与寄主来源密切相关的分子变 异组的形成必定与寄主植物对病毒的选择性有关,这 种选择性主要表现在群体水平上,相关的机制有待深 入研究。有一点可以明确,在对如 SCMV 这种多样性 相当丰富的病毒或其他病原物进行研究时,必须有群 体的观点。
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4

结论
侵染中国甘蔗和玉米的 SCMV 可分为 3 个组, 即

甘蔗组(sugarcane group,SCE 组)、玉米组(maize group,MZ 组)和高贵甘蔗组(noble sugarcane group, NSCE 组)。其中高贵甘蔗组为本研究首次建立。甘 蔗组主要发生于制糖用(杂种)甘蔗上,玉米组主要

1期

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