真菌病毒种群多样性在垂直与水平传播过程中的动态演变及其对生物防治的启示

《Virus Evolution》：Changes in intra-host mycovirus population diversity after vertical and horizontal transmission

本研究针对真菌病毒Cryphonectria hypovirus 1（CHV1）在传播过程中的种群多样性变化机制展开深入探索。通过PacBio长读长测序技术，研究人员系统分析了CHV1在垂直传播（分生孢子）和水平传播（菌丝融合）过程中的遗传多样性变化。研究发现垂直传播导致病毒种群出现显著的瓶颈效应，而水平传播的多样性变化与真菌宿主的营养体亲和性（vic）基因型密切相关。该研究为RNA病毒种群进化提供了重要理论依据，对优化板栗溃疡病的生物防治策略具有重要实践价值。

　　

在森林生态系统中，板栗溃疡病是一种由真菌Cryphonectria parasitica引起的毁灭性病害，对美洲和欧洲的板栗树林造成严重威胁。然而，自然界中存在一种天然的"生物武器"——Cryphonectria hypovirus 1（CHV1）真菌病毒，它能够感染致病真菌并降低其毒力，这种现象被称为"低毒力现象"（hypovirulence）。这种病毒已成为欧洲地区板栗溃疡病生物防治的重要工具。

CHV1作为一种正义单链RNA病毒，具有高突变率和快速进化能力，使其能够在宿主体内形成高度多样性的病毒种群。然而，当病毒通过垂直传播（分生孢子）或水平传播（菌丝融合）在宿主之间转移时，会经历种群瓶颈效应，导致遗传多样性发生显著变化。理解这些变化规律对于优化CHV1在生物防治中的应用至关重要。

目前，关于CHV1种群多样性在传播过程中的动态变化仍存在许多未知。例如，不同类型的传播方式如何影响病毒种群的遗传结构？真菌宿主的遗传背景，特别是营养体亲和性（vegetative compatibility，vic）位点的差异，如何调节病毒种群的传播效率？这些问题对于提高CHV1在自然生态系统中的持久性和防治效果具有重要意义。

为了解决这些问题，研究人员在《Virus Evolution》上发表了一项创新性研究，利用先进的PacBio长读长测序技术，深入探究了CHV1病毒种群在垂直和水平传播过程中的多样性变化规律。

研究方法上，团队采用了多种前沿技术手段：首先利用PacBio环形共识测序（circular consensus sequencing）技术对CHV1病毒种群进行高通量测序，确保长读长序列的高准确性；通过垂直传播实验分析病毒从亲本真菌菌株向分生孢子的传播效率；设计水平传播实验研究不同营养体亲和性类型真菌菌株间的病毒转移；运用SNPGenie和SNPEff等生物信息学工具进行突变分析和选择压力评估；采用线性混合效应模型（Linear Mixed-Effects Model）统计病毒种群多样性变化；通过RAxML-NG软件构建病毒种群的系统发育关系。

研究结果揭示了丰富的信息：

垂直传播中的病毒传播成功率

研究发现，CHV1向分生孢子的垂直传播成功率超过75%，不同病毒亚型间无显著差异。其中CR23、Euro7、EP713原型菌株和野外分离株ks_46.4的传播率达到100%，而oz_08.2和ks_30.4野外分离株的传播率分别为77%和92%。这一结果证实了CHV1在无性繁殖过程中的高效传播能力。

病毒种群多样性变化

垂直传播实验显示，病毒种群经历了明显的瓶颈效应。对于F1亚型病毒（EP713），亲本病毒种群的核苷酸多样性（π）为0.019105，而分生孢子后代种群的平均π降至0.000955，下降了约20倍。对于I亚型病毒种群（Euro7、ks_30.4、ks_46.4和oz_08.2），π值也从亲本种群的0.000116-0.000901降至后代种群的0.000081-0.000750。值得注意的是，尽管突变多样性显著降低，但F1亚型病毒的后代种群中病毒变体数量却从211略微增加至230，这可能反映了瓶颈后种群的快速扩张。

水平传播中的病毒传播限制

水平传播实验表明，病毒传播效率受到真菌营养体亲和性系统的严格调控。当供体和受体菌株在vic2位点存在异等位基因（heteroallelism）时，病毒传播受到最强限制；vic3位点差异产生中等限制；而vic4位点差异则基本不影响病毒传播。在vc型完全相同的菌株配对中，病毒传播成功率达到100%。

病毒变体传播模式

研究还发现，病毒变体的传播数量与vic位点的遗传差异密切相关。当所有vic位点等位基因相同或仅在vic4存在差异时，传播的病毒变体比例较高（EP713为39%-45%，CR23为30%-31%，Euro7为38%-53%）。而当供体/受体配对在vic2或vic3位点存在异等位基因时，传播的病毒变体比例显著降低（EP713为13%-20%，CR23为19%-29%，Euro7为17%-23%）。

系统发育关系分析

系统发育分析显示，在大多数情况下，经过垂直或水平传播后，源自特定原型病毒株的种群通常聚集在一起。特别是在垂直传播中，EP713的分生孢子后代种群倾向于紧密聚集，而Euro7或CR23的这种趋势不明显。这表明不同病毒亚型在传播过程中可能具有不同的进化轨迹。

选择压力特征

通过比较同义突变（πS）和非同义突变（πN）的多样性，研究发现88个分析病毒种群中有79个呈现πS > πN的模式，表明纯化选择（purifying selection）是塑造CHV1种群多样性的主要力量。πN > πS的情况较为罕见，主要出现在垂直传播实验的分生孢子后代种群中，可能反映了正选择信号或突变积累。

值得注意的是，研究在EP713、Euro7原型菌株和ks_30.4野外分离株的病毒种群中发现了三个大片段缺失，频率范围在13%-80%之间。这些缺失可能代表缺陷干扰RNA（defective interfering RNAs），它们可能通过抑制亲本病毒RNA的积累，调节病毒毒力，促进病毒在宿主体内的持久性。

讨论与结论方面，本研究通过先进的测序技术和严谨的实验设计，揭示了CHV1病毒种群在传播过程中的动态变化规律。垂直传播导致的瓶颈效应比水平传播更为明显，这表明在自然条件下，通过分生孢子的病毒传播可能比菌丝融合更具限制性。真菌宿主的遗传背景，特别是vic位点的差异，显著影响病毒种群的传播效率和多样性组成。

这些发现对于优化CHV1在板栗溃疡病生物防治中的应用策略具有重要指导意义。例如，在选择病毒菌株进行生物防治时，应考虑其在不同传播方式下的遗传稳定性；在部署防治措施时，需要考虑当地真菌种群的vc型多样性，以最大限度地提高病毒传播效率。

此外，研究观察到的大片段缺失和缺陷病毒基因型的传播，提示病毒可能通过调节自身毒力来维持与宿主的长期共存关系。这一现象为理解病毒-宿主协同进化提供了新的视角。

总之，这项研究不仅增进了我们对真菌病毒种群遗传学的理解，也为RNA病毒进化生物学提供了重要案例。研究结果强调了对病毒种群多样性进行精细分析的重要性，为开发更有效的生物防治策略奠定了理论基础。未来研究可以进一步探索环境因素如何与遗传因素相互作用，共同影响病毒种群的进化轨迹。