贝叶斯系统发育动力学分析揭示了番茄斑萎病毒的传播模式

《Virology》：Bayesian phylodynamic analysis reveals the dispersal patterns of tomato spotted wilt virus

番茄斑萎病毒（TSWV）全球传播的分子流行病学分析基于1992-2023年全面基因组数据，揭示其主起源地欧洲，大陆内传播占比高于跨洲迁移，并在RdRp、N基因中识别出正负选择压力位点，为防控提供进化视角。

　　

赵海婷|尹玉琪|秦朗|邓小龙|李正和|Stuart R. Reitz|吴胜勇|高芳鸾|何振

中国扬州大学植物保护学院，扬州225009

摘要

番茄斑萎病毒（TSWV）在全球范围内对植物生产造成了巨大的经济损失。然而，关于TSWV的分子流行病学研究仍然不够充分。在这项研究中，我们利用了1992年至2023年间收集的最广泛、最全面的TSWV数据集，推断出了该病毒的系统发育动态。最大分支可信度（MCC）树显示，TSWV的主要起源地是欧洲。TSWV的全球迁移和扩散模式表明，洲内传播（同一大陆内的传播）比洲际迁移更为频繁。此外，在RdRp和N基因中发现了多个受到正向选择和负向选择的密码子。我们的研究为了解该病毒的进化提供了重要线索，有助于更深入地理解其进化动态。

引言

番茄斑萎病毒（TSWV），学名为Orthotospovirus tomatomaculae，属于Tospoviridae科的Orthotospovirus属（Nilon等人，2021年）。该病毒在西方国家（包括西欧和美国）的传播日益普遍（Aramburu和Martí，2003年），并随后扩散到全球的温带、亚热带和热带地区（Mateus等人，2012年）。最近，在东亚和中东地区也发现了TSWV的踪迹（Pappu等人，2009年）。由于TSWV能够造成严重的经济损失，它被认为是全球农业产业中第二重要的植物病毒（Scholthof等人，2011年）。受TSWV影响的作物包括番茄、辣椒、生菜、马铃薯、木瓜、花生、烟草和菊花。TSWV感染的症状因宿主种类、季节和时间环境的不同而异，表现为坏死斑块、斑驳、黄化条纹、花叶图案、植株矮化、环斑以及幼苗死亡（Asano等人，2017年；Nilon等人，2021年）。TSWV仅通过蓟马进行传播，其中西方花蓟马（Franklinella occidentalis）是主要的传播媒介（A. E. Whitfield等人，2005年；I. Wijkamp等人，1993年）。值得注意的是，该病毒不仅能在植物体内复制，还能在蓟马体内复制，使这些昆虫同时成为病原体的传播媒介和移动宿主（Scholthof等人，2011年；Ullman等人，1993年；I. Wijkamp等人，1993年）。

TSWV病毒颗粒是一种膜结合的球形结构，直径在80到120纳米之间。TSWV具有由三个RNA片段组成的三部分基因组：大片段（L，8.9 kb）、中等片段（M，4.8 kb）和小片段（S，2.9 kb），这些片段共同编码五个基因（A. E. Whitfield等人，2005年）。L RNA编码RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp），这是一种促进病毒RNA合成和复制的多功能酶（de Haan等人，1991年）。M和S片段均为双义序列，包含两个开放阅读框（ORFs），可以从正链RNA及其互补链转录。M RNA编码一种参与病毒附着和进入的糖蛋白复合物（Gn-Gc），以及一种对病毒细胞间传播至关重要的非结构蛋白（NSm）（Kormelink等人，1993年）。S RNA编码两种蛋白质：一种抑制基因沉默的非结构蛋白（NSs），以及一种在病毒组装和包膜过程中起结构作用的核衣壳蛋白（N）（Bucher等人，2003年；de Haan等人，1991年）。

流行病学在预防和控制疾病方面起着关键作用。在过去十年中，随着多个相关跨学科领域的发展，系统发育动力学作为一种通过统计方法推断病毒流行病学过程的工具应运而生（Attwood等人，2022年；Su等人，2015年）。异质性和快速适应性是TSWV与其他植物病毒相比的两个显著表型特征（Tsompana等人，2005年）。作为一种三片段病毒，TSWV的基因组结构（L/M/S RNA片段）使其能够发生重配——即不同感染株之间的整个片段交换，这一过程不同于重组（重组涉及部分片段交换）。先前的研究已经证实TSWV种群中存在广泛的重配现象（Tentchev等人，2011年），这使其成为研究传播动态的理想模型。

先前的研究已经探讨了TSWV的系统发育分析、遗传变异和分子群体遗传学（Shukla等人，2025年；Tentchev等人，2011年；Tsompana等人，2005年；Zhang等人，2016年），以及其在不同植物宿主和蓟马之间的进化动态（Ruark-Seward等人，2020年）。然而，其地理进化动态仍不甚清楚。本研究评估了TSWV的进化速率、时间尺度和迁移动态，为了解这一病原体的全球流行病学提供了新的见解。

部分内容

病毒分离株

从GenBank中检索到了属于TSWV的五个开放阅读框（RdRp、NSm、GnGc、NSs、N）的基因组序列（访问日期为2024年7月9日）。根据NCBI和文献，列出了包含登录号、地理位置和采集日期的信息（表S1）。剔除了那些未附带TSWV采样日期和地点的部分分离株后，我们的分析基于132个RdRp基因组序列、293个NSm基因组序列和213个...

重组和系统发育分析

序列比对分别生成后进行了重组分析，详见表S2。除了提出的重组体（GnGc: OK316998、OK317000、MN870636；RdRp: KM076651、MF159048、PP632104）外，其他数据集基于带有时间戳的完整ORF序列（129个RdRp基因组序列、293个NSm基因组序列、209个GnGc基因组序列、257个NSs基因组序列、770个N基因组序列）（表S1）。

讨论

在这项研究中，我们评估了TSWV的进化动态。TSWV的人口统计历史显示了该病毒的存在扩张，这与之前的研究结果一致（Tsompana等人，2005年）。贝叶斯分析的结果表明，TSWV的最大分支可信度（MCC）树的根位于欧洲。这与 epidemiologically important TSWV 线系的迁移结果一致，欧洲被认为是TSWV的主要迁移来源。

结论

总之，本研究全面评估了TSWV的进化速率、时间尺度和迁移动态。贝叶斯分析确定欧洲是TSWV的最大分支可信度（MCC）树的根节点，证实了欧洲是全球TSWV迁移的主要来源。从迁移率和马尔可夫跳跃计数分析来看，欧洲与其他地区之间的多次迁移现象非常明显。

CRediT作者贡献声明

秦朗：方法学、概念设计。尹玉琪：验证、软件、方法学、形式分析、概念设计。李正和：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。邓小龙：撰写 – 审稿与编辑。Stuart R. Reitz：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。高芳鸾：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法学、形式分析、概念设计。吴胜勇：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。赵海婷：撰写 –

未引用的参考文献

Marongiu和Sanna，2011年；Testa等人，2011年。

数据可用性声明

详见补充文件中的表S1。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本研究的结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFE0130900）、国家自然科学基金（编号：32272485）、扬州大学高层次人才支持计划以及扬州大学跨学科高层次青年人才培养项目的资助。