Fluorescent RT-RAA for Diagnosing Epidemic Diarrhea in Pigs
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摘要:目的
建立一种快捷、灵敏、简便检测猪流行性腹泻病毒（porcine epidemic diarrhea virus, PEDV）的RT-RAA检测方法，以提高猪流行性腹泻病毒临床检测效率。
方法针对PEDV S基因片段保守区设计引物和探针，构建标准质粒PEDV-S，通过特异性、敏感性、重复性测定及条件优化，建立检测PEDV重组酶介导链置换核酸扩增荧光法（RT-RAA）。
结果在42 ℃恒温作用20 min的条件下，建立的检测方法对检测猪传染性胃肠炎病毒（porcine transmissible gastroenteritis virus, TGEV）、猪瘟病毒（classical swine fever virus, CSFV）、伪狂犬病病毒（porcine pseudorabies virus, PRV）、猪繁殖与呼吸综合征病毒（porcine reproductive and respiratory syndrome virus, PRRSV）和猪轮状病毒（porcine rotavirus, PoRV）等猪源病毒均为阴性，猪流行性腹泻病毒（PEDV）为阳性；最低检出限为4.43×102拷贝·μL−1的标准质粒；重复性结果显示，相同浓度标准质粒的差异性很小；利用建立的RT-RAA方法检测40份猪病毒样本，阳性率为7.5%（3/40），与实时荧光定量PCR检测结果相同。
结论本研究建立的PEDV RT-RAA检测方法具有快速简便、耗时短、特异性高、灵敏度强和重复性好等特点，适用于对PEDV的快速诊断。
Abstract:ObjectiveA rapid fluorescence RT-RAA to detect porcine epidemic diarrhea virus (PEDV) was developed and tested for field application.
MethodsPrimers and probes were designed for the conserved region of PEDV-S gene fragment, and a standard plasmid was constructed. Through condition optimization followed by tests for assay specificity, sensitivity, and repeatability, a recombinant enzyme-mediated chain replacement nucleic acid amplification fluorescence RT-RAA for detecting PEDV was established.
ResultsUnder a constant temperature of 42 ℃ for 20 min, the assay detected PEDV as positive, while negative on the porcine transmissible gastroenteritis virus (TGEV), classical swine fever virus (CSFV), porcine pseudorabies virus (PRV), porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV), porcine rotavirus (PoRV) and other porcine viruses. It had a minimum detection limit of 4.43×102 standard plasmid copies·μL−1, a reproducibility showing little difference between the standard plasmids of the same concentration, and a positive rate of 7.5% (3 out of 40) on PEDV specimens comparable to that obtained by RT-qPCR.
ConclusionThe newly developed fluorescence RT-RAA for PEDV detection was considered appropriate for rapid diagnosis of epidemic diarrhea in pigs.
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Keywords:
- porcine epidemic diarrhea virus /
- S protein /
- fluorescence RT-RAA
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0. 引言
【研究意义】猪流行性腹泻（porcine epidemic diarrhea, PED）是由猪流行性腹泻病毒（porcine epidemic diarrhea virus, PEDV）引起的一种接触性传染性病，临床表现和猪传染性胃肠炎极其相似，表现为以水样便腹泻、呕吐和脱水为主要表征的肠道疾病。该病可以感染所有日龄阶段的猪，尤其是新生仔猪，一旦发病，其死亡率高达100%[1]。1971年PED在欧洲首次被报道，随后蔓延到世界许多地区；2010年我国多个省份突然爆发了PED，美国、加拿大和墨西哥也大规模爆发，仅2014年就导致美国近千万头仔猪死亡，占美国所有仔猪的近十分之一[2]，给全球生猪养殖业带来了巨大的经济损失。PEDV是一种单股、正链RNA病毒，具有冠状结构特征。全基因组约长28 kb，包括5′端帽、5′和3′非翻译区、3′poly-A 尾部以及7个开放阅读框[3]。ORF2和ORF4~6编码4种结构蛋白，包括S、E、M和N蛋白。其中，S蛋白是PEDV主要的免疫蛋白，在PEDV存活和逃避宿主免疫中起着至关重要的作用，为机体产生中和抗体的主要蛋白，在免疫监测中处于优先地位[4]。利用S蛋白建立PEDV快速检测方法具有较高的可行性。【前人研究进展】PEDV的检测方法主要包括病毒分离鉴定、中和试验、酶联免疫吸附试验等[5]。这些方法虽然灵敏性和特异性均较高，但在现实操作中过程繁琐、时间长、仪器价格昂贵、需要专业人员才能操作，而且ELISA试剂盒多为进口，成本高[6]。重组酶介导核酸等温扩增（RAA）是一种新型检测技术，具有快速、简单、低成本等优点，不需要复杂的热环境，在恒温条件下就能快速检测，相对于其他检测方法，优势显著[7]。近年来，该方法在病毒、细菌的研究中得到成功应用。Mao等[8]研究报道，猴痘病毒（monkeypox virus, MPXV）在RAA中对于其他痘病毒，如牛痘病毒（vaccinia virus, VACV）具有特异性和非交叉反应性。Nie等[9]报道采用乙脑病毒（japanese encephalitis virus, JEV）的RT-RAA方法对母猪流产胎儿和公猪的肿胀睾丸样本进行检测，检出率仅为6.49%。此外，RAA还被应用于人类疾病检测。Zhao等[10]采用RAA方法对人泌尿生殖系统中的血吸虫进行检测，与尿液显微镜检查具有100%的一致性。【本研究切入点】对于利用PEDV的S蛋白建立RT-RAA检测方法目前尚未见报道。【拟解决的关键问题】本研究根据PEDV S基因的高度保守区，设计多对引物和探针，建立针对PEDV 的S基因荧光RT-RAA检测方法，测定其敏感性、特异性和重复性，并进行临床初步应用，为研究PED的诊断与防控提供技术支撑。
1. 材料与方法
1.1 病毒及临床样品
PEDV以及猪传染性胃肠炎病毒（porcine transmissible gastroenteritis virus, TGEV）、猪瘟病毒（classical swine fever virus, CSFV）、伪狂犬病病毒（porcine pseudorabies virus, PRV）、猪繁殖与呼吸综合征病毒（porcine reproductive and respiratory syndrome virus, PRRSV）、猪轮状病毒（porcine rotavirus, PoRV）等猪源病毒由福建省农业科学院畜牧兽医研究所收集保存；40份疑似PEDV感染临床样品为2020–2024年采自福建省19个家庭农场（表1）。
表 1 疑似猪流行性腹泻病料收集的来源信息Table 1. Information source and collection of suspected porcine epidemic diarrhea specimens地区
Region样本数（份）/来源猪场（个）
Samples/Farms宁德 Ningde 5/2 三明 Sanming 6/2 龙岩 Longyan 10/6 漳州 Zhangzhou 8/3 莆田 Putian 11/6 合计 Total 40/19 1.2 主要试剂
pMD19-T购自TaKaRa公司；Trelief5α感受态细胞购自擎科公司；引物和探针均由亚尚生物工程有限公司合成；RT-RAA核酸扩增试剂盒（荧光型）购自杭州众测生物科技有限公司；高保真聚合酶购自诺唯赞生物公司；质粒提取试剂盒及胶回收试剂盒购自艾科瑞公司。
1.3 引物及探针的设计与筛选
从GenBank基因数据库中下载25株PEDV的S基因序列，通过DNAMAN生物信息学软件分析PEDV的S基因的高度保守区域（图1），利用Primer 5.0软件对PEDV的S基因设计多对引物、探针。引物、探针信息见表2。
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图 1 引物及探针所在S基因保守区域Figure 1. Conserved region of S gene in which primers and probes are located表 2 引物和探针Table 2. Primers and probes名称
Name序列（5′-3′）
SequencePEDV S-DF AAATCTGGCAGTATTGGCTAC PEDV S-DR ATCGGCTGAAAGAATGTCC PEDV S-F1 TATTCCCACCAACTTTAGTATGAGTATTAG PEDV S-F2 GTATTCCCACCAACTTTAGTATGAGTATTA PEDV S-F3 AGTATTCCCACCAACTTTAGTATGAGTATT PEDV S-R1 TAATGCTGACTCTATGGTCTTACATGCTGC PEDV S-R2 GTTGTAATGCTGACTCTATGGTCTTACATG PEDV S-R3 TGTAATGCTGACTCTATGGTCTTACATGCT PEDV S-P GACAGAATATTTACAGCTTTACAACACGCC(i6FAMdT)(THF)(iBHQ1dT)TAGTGTTGATTGTGC-C3spacer 1.4 核酸的提取
按照核酸提试剂盒说明书， 提取PEDV、TGEV、CSFV、PRV、PCV、PRRSV、PoRV核酸，并保存于–80 ℃备用。
1.5 重组质粒标准品的构建
根据PEDV S基因序列设计引物（PEDV-DF/DR），以逆转录cDNA为模板进行PCR扩增，预期扩增产物大小为969 bp。将胶回收的产物与pMD19-T载体连接，经PCR检测后，送至生工生物工程（上海）股份有限公司测序鉴定，重组质粒经测序正确后作为标准质粒。通过分光光度计测定浓度，计算拷贝数。
1.6 RT-RAA反应体系
根据荧光型RT-RAA核酸扩增试剂盒说明书，配置50.0 μL反应体系，包括buffer A缓冲液25.0 μL、引物F（10 μmol·L−1）2.0 μL、引物R（10 μmol·L−1）2.0 μL、探针（10 μmol·L−1）0.6 μL、buffer B缓冲液2.5 μL、样本5.0 μL，最后加ddH2O至50.0 μL。混匀后10 s低速离心，荧光定量PCR仪测定吸光值。
1.7 引物筛选及反应条件优化
将构建好的标准质粒作为模板，设置不同上、下游引物组合处理，筛选出起峰时间最早、荧光信号最强的最佳引物对；确定最佳引物后，以标准质粒作为模板，在37、39、42 ℃下反应20 min，确定最佳反应温度；采用确定的最佳试验条件，将反应时间设定为17、20、25 min进行RT-RAA反应，确定最佳反应时间。
1.8 特异性试验
通过建立的RT-RAA检测方法对TGEV、CSFV、PRV、PCV、PRRSV、PoRV病毒核酸进行检测，评价方法的特异性。
1.9 重复性试验
以102 、103、105拷贝·μL−1的3种标准质粒浓度作为模板进行荧光RT-RAA反应，重复3次，以评估检测方法的重复性。
1.10 灵敏度试验
将标准质粒用无核酸酶水进行10倍倍比稀释，选用100～106标准质粒作为模板进行RT-RAA反应，评价方法的敏感性。
1.11 临床检测
利用本研究所建立的荧光RT-RAA检测方法和Ren等[11]建立的实时荧光定量PCR检测方法，对2020–2024年采集的40份猪组织样品进行检测，比较两者检测结果。
2. 结果与分析
2.1 重组标准质粒的鉴定
以引物PEDV-DF/DR进行PCR扩增，结果（图2）显示在969 bp左右有目的条带，和预期结果一致。测序结果显示重组标准质粒构建成功，经测定其质量浓度为47.1 ng·μL−1，拷贝数为4.43×1010。
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图 2 PEDV S 基因PCR扩增M：DL2000 Marker；1～4：PEDV S 基因扩增；5：阴性对照。Figure 2. PCR amplification of PEDV S geneM: DL2000 marker; 1–4: PEDV S gene amplification; 5: negative control.2.2 最佳引物对及反应条件优化
通过上、下游引物不同组合，进行实时荧光RT-RAA检测，结果（图3）显示，F3/R3引物对的扩增效果最好。通过比较不同温度条件下的起峰时间、荧光信号，结果（图4）显示，当反应温度为42 ℃时，扩增曲线效果最好。通过比较不同时间下的反应强度，结果（图5）显示，当反应时间为20 min时，扩增曲线效果最好。因此，选择42 ℃下作用20 min为最适反应条件。
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图 3 荧光型RT-RAA引物筛选1：F3/R3；2：F3/R2；3：F1/R1；4：F2/R3；5：F3/R1；6：F1/R2；7：F2/R2；8：F1/R3；9：F2/R1；10：阴性对照。Figure 3. Screening primers for fluorescence RT-RAA1: F3/R3; 2: F3/R2; 3: F1/R1; 4: F2/R3; 5: F3/R1; 6: F1/R2; 7: F2/R2; 8: F1/R3; 9: F2/R1; 10: negative control.![]()
图 4 荧光型RT-RAA反应温度的筛选1～3分别为42、39和37 ℃。Figure 4. Selection of reaction temperature for fluorescent RT-RAA1–3: 42, 39, and 37 °C, respectively.![]()
图 5 荧光型RT-RAA反应时间的筛选1～3分别为反应20、25、17 min。Figure 5. Selection of reaction time for fluorescent RT-RAA1–3: 20, 25, and 17 min reaction time.2.3 特异性试验
以PEDV及TGEV、CSFV、PRV、PCV、PRRSV、PoRV的核酸为模板，进行RT-RAA荧光扩增，结果（图6）显示，PEDV产生明显荧光信号，判定为阳性，而其他均无扩增曲线，判为阴性，表明该方法具有很好的特异性。
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图 6 荧光型RT-RAA特异性试验1：PEDV-S；2～8：TGEV、CSFV、PRV、PCV、PRRSV、PoRV、阴性对照。Figure 6. Specificity of fluorescent RT-RAA1: PEDV-S; 2–8: TGEV, CSFV, PRV, PCV, PRRSV, PoRV, and negative control, respectively.2.4 重复性试验
以102、103和105拷贝·μL−1的标准质粒为模板。通过建立的荧光RT-RAA进行的重复性试验，结果（图7）显示，相同浓度标准质粒的差异很小，说明本试验所建立的荧光RT-RAA具有良好的重复性。
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图 7 荧光型RT-RAA的重复性检测1～3：1×105拷贝·μL−1；4～6：1×103拷贝·μL−1；7～9：1×102拷贝·μL−1。Figure 7. Repeatability of fluorescent RT-RAA1–3: 1×105 copies·μL−1; 4–6: 1×103 copies·μL−1; 7–9: 1×102 copies·μL−1.2.5 灵敏度试验
将标准质粒进行10倍倍比稀释，以100～106为模板进行RT-RAA 扩增，结果（图8）显示，随着标准质粒拷贝数的降低，出峰时间逐渐延长，荧光强度逐渐减弱，最低检出拷贝数为102拷贝数，与常规RT-PCR[12]相比较，PEDV荧光RT-RAA检测方法的最低检出拷贝数是常规RT-PCR检测方法的
1000 倍。表明该RT-RAA检测方法具有较高的灵敏度。![]()
图 8 荧光型RT-RAA敏感性试验1～7：标准质粒依次为106～100 拷贝·μL−1；8：阴性对照。Figure 8. Sensitivity of fluorescence RT-RAA1–7: standard plasmid at 106–100 copies·μL−1; 8: negative control.2.6 临床样品检测
利用本试验所建立的PEDV RT-RAA检测方法对40份临床样本进行检测，结果（表3）显示，3份样品为阳性，阳性率7.5%，与RT-qPCR方法结果相同，说明本试验建立的荧光RT-RAA检测方法，适用于对PEDV的临床检测。
表 3 临床样本的检测Table 3. Detection on clinical samples方法
Method阳性样品
Number of
positives/份阴性样品
Number of
negatives/份总数
Total/份阳性率
Positivity
rate/%RT-RAA 3 37 40 7.5 RT-qPCR 3 37 40 7.5 3. 讨论与结论
PED具有很强的传染性，在全球许多地区的感染率和死亡率均较高，给生猪养殖业造成重大经济损失[13]。目前，虽然有许多上市的PED疫苗，包括灭活疫苗、减毒活疫苗和亚单位疫苗等，但PEDV在长期的流行期间，会适应不同的地区环境[14]。PEDV研究的最新进展指出，目前尚无特有效的疫苗来防控该病[15]，PEDV仍然对养猪业的健康造成严重威胁。
近年来，许多学者建立了多种PEDV检测方法，主要包括RT-PCR、RT-qPCR和LAMP等。俞正玉等[16]建立的PRDV的RT-PCR检测方法，最低可检测出103 ng·μL−1的PEDV样品，对华东地区采集的318份样品进行检测，PEDV阳性率为34.3%。Song等[17]建立了可同时检测包含PEDV在内的4种常见猪病的TaqMan多重荧光定量RT-PCR方法，最低检测下限为101拷贝·μL−1。Li等[18]建立并优化了一种PEDV RT-LAMP检测法，通过加入SYBR Green I荧光染料对PEDV进行检测，在61.9 ℃、59 min或80 ℃、3 min即可完成检测，灵敏度要比传统的RT-PCR高100倍。这些方法特异性和灵敏度虽然较高，但由于其操作繁琐、检测时间长、专业性强、不适合快速临床检测。RT-RAA检测方法是近年来兴起的一种检测方法，能够克服以上检测方法检测时间长、操作繁琐等局限性，并已应用于多种病毒检测，如猪轮状病毒（PoRV）[19]、猪繁殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）[20]、禽流感病毒（avian influenza virus, AIV）[21]等。在建立RT-RAA检测方法的过程中，引物和探针的选择与设计十分重要，但目前尚无专门的设计程序。因此，建立RT-RAA检测方法重中之重在于引物、探针的筛选。本研究对多株PEDV S蛋白序列进行比对，选择较为保守的区域设计了3对引物和1个探针，通过自由组合筛选出最佳引物对。此外，在RT-RAA反应体系化中，对反应温度的优化也十分重要，本研究将最佳引物温度逐渐提高至42 ℃后，起峰速度、荧光信号均明显增强，因此选择42 ℃为最佳反应温度，这样大大地提高了检测效率。
综上所述，本研究所建立的PEDV RT-RAA检测方法具有灵敏度强、特异性高和重复性好的特点，极大压缩了检测时间和成本，很适合基层对PEDV的快速检测，具有广泛的应用前景。
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图 1 引物及探针所在S基因保守区域
Figure 1. Conserved region of S gene in which primers and probes are located
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图 2 PEDV S 基因PCR扩增
M：DL2000 Marker；1～4：PEDV S 基因扩增；5：阴性对照。
Figure 2. PCR amplification of PEDV S gene
M: DL2000 marker; 1–4: PEDV S gene amplification; 5: negative control.
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图 3 荧光型RT-RAA引物筛选
1：F3/R3；2：F3/R2；3：F1/R1；4：F2/R3；5：F3/R1；6：F1/R2；7：F2/R2；8：F1/R3；9：F2/R1；10：阴性对照。
Figure 3. Screening primers for fluorescence RT-RAA
1: F3/R3; 2: F3/R2; 3: F1/R1; 4: F2/R3; 5: F3/R1; 6: F1/R2; 7: F2/R2; 8: F1/R3; 9: F2/R1; 10: negative control.
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图 4 荧光型RT-RAA反应温度的筛选
1～3分别为42、39和37 ℃。
Figure 4. Selection of reaction temperature for fluorescent RT-RAA
1–3: 42, 39, and 37 °C, respectively.
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图 5 荧光型RT-RAA反应时间的筛选
1～3分别为反应20、25、17 min。
Figure 5. Selection of reaction time for fluorescent RT-RAA
1–3: 20, 25, and 17 min reaction time.
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图 6 荧光型RT-RAA特异性试验
1：PEDV-S；2～8：TGEV、CSFV、PRV、PCV、PRRSV、PoRV、阴性对照。
Figure 6. Specificity of fluorescent RT-RAA
1: PEDV-S; 2–8: TGEV, CSFV, PRV, PCV, PRRSV, PoRV, and negative control, respectively.
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图 7 荧光型RT-RAA的重复性检测
1～3：1×105拷贝·μL−1；4～6：1×103拷贝·μL−1；7～9：1×102拷贝·μL−1。
Figure 7. Repeatability of fluorescent RT-RAA
1–3: 1×105 copies·μL−1; 4–6: 1×103 copies·μL−1; 7–9: 1×102 copies·μL−1.
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图 8 荧光型RT-RAA敏感性试验
1～7：标准质粒依次为106～100 拷贝·μL−1；8：阴性对照。
Figure 8. Sensitivity of fluorescence RT-RAA
1–7: standard plasmid at 106–100 copies·μL−1; 8: negative control.
表 1 疑似猪流行性腹泻病料收集的来源信息
Table 1 Information source and collection of suspected porcine epidemic diarrhea specimens
地区
Region样本数（份）/来源猪场（个）
Samples/Farms宁德 Ningde 5/2 三明 Sanming 6/2 龙岩 Longyan 10/6 漳州 Zhangzhou 8/3 莆田 Putian 11/6 合计 Total 40/19 
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表 2 引物和探针
Table 2 Primers and probes
名称
Name序列（5′-3′）
SequencePEDV S-DF AAATCTGGCAGTATTGGCTAC PEDV S-DR ATCGGCTGAAAGAATGTCC PEDV S-F1 TATTCCCACCAACTTTAGTATGAGTATTAG PEDV S-F2 GTATTCCCACCAACTTTAGTATGAGTATTA PEDV S-F3 AGTATTCCCACCAACTTTAGTATGAGTATT PEDV S-R1 TAATGCTGACTCTATGGTCTTACATGCTGC PEDV S-R2 GTTGTAATGCTGACTCTATGGTCTTACATG PEDV S-R3 TGTAATGCTGACTCTATGGTCTTACATGCT PEDV S-P GACAGAATATTTACAGCTTTACAACACGCC(i6FAMdT)(THF)(iBHQ1dT)TAGTGTTGATTGTGC-C3spacer
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表 3 临床样本的检测
Table 3 Detection on clinical samples
方法
Method阳性样品
Number of
positives/份阴性样品
Number of
negatives/份总数
Total/份阳性率
Positivity
rate/%RT-RAA 3 37 40 7.5 RT-qPCR 3 37 40 7.5
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