賀會(huì)利,魏小兵,歐長(zhǎng)波,徐 敏,閆藝婷,劉明成,勾肖晶,劉興友*
(1.河南科技學(xué)院動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;2.畜禽智能化清潔生產(chǎn)河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南新鄉(xiāng)453003;3.動(dòng)物病毒病防控與藥殘分析河南省重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,河南新鄉(xiāng)453003)
雞傳染性支氣管炎(Infectious bronchitis,IB)最早由美國(guó)Schalk和Hawn報(bào)道,1936年Beach和Schalm確定該病原為病毒,后命名為雞傳染性支氣管炎病毒(Infectious bronchitis virus,IBV),歸入冠狀病毒科冠狀病毒屬的第3群[1]?;疾‰u以咳嗽﹑噴嚏和氣管啰音的呼吸道癥狀為主。該病存在呼吸型、腎病變型、腺胃型等主要致病型,在我國(guó)的流行呈上升趨勢(shì),尤其是腎病變型IB已蔓延至全國(guó)各養(yǎng)雞地區(qū),造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2]。李富桂等[3]通過(guò)研究表明此病的傳染性很強(qiáng)。2011年,Han Zongxi等[4]通過(guò)對(duì)中國(guó)15年的禽IBV分子流行病學(xué)分析,強(qiáng)調(diào)持續(xù)監(jiān)控IBV的重要性。
IBV的基因組為不分節(jié)段的單股正鏈RNA,其核酸具有侵染性,長(zhǎng)為27.6kb,分子質(zhì)量8MD,其基因組有5′帽子和3′尾巴結(jié)構(gòu),可轉(zhuǎn)錄出6種亞基因組 mRNA(1-6)[5],至少有10個(gè)開(kāi)放閱讀框(open reading frame,ORF)。IBV的mRNA是直接由引物起始轉(zhuǎn)錄的,而不是由前體mRNA加工得到的,IBV所有mRNA都具有共同的3末端嵌套式結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),前導(dǎo)序列旁側(cè)翼有一段保守的核苷酸序列CCT/GAACAA,它可能是前導(dǎo)序列與mRNA結(jié)合的中心區(qū)域,并啟動(dòng)mRNA2~mRNA6的轉(zhuǎn)錄。另外,基因組RNA端序列與mRNA基因之間的序列都含UAAAC序列。在前導(dǎo)序列3′端有一個(gè)反向直接重復(fù)序列(UAAU),在其后緊跟著一個(gè)倒置重復(fù)序列(UUUA),在第55位~72位和80位~143位可能存在2個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu),中間以AU豐富區(qū)(AUAAA)隔開(kāi),這個(gè)片段可能是合成前導(dǎo)序列的終止位點(diǎn)。mRNA 2、4、6為單順?lè)醋咏Y(jié)構(gòu),分別編碼IBV的3個(gè)主要結(jié)構(gòu)蛋白,即纖突蛋白、膜蛋白、核蛋白;mRNA 3、5為多順?lè)醋咏Y(jié)構(gòu),分別含有3個(gè)和2個(gè)ORF,編碼3a、3b、3c及5a、5b這5種小蛋白。病毒RNA各基因的定位次序是5′-F1-F2-S-3a-3b-3c-M-5a-5b-N-poly(A)-3′。IBV 基因組可分為2個(gè)部分,即位于5′端的非結(jié)構(gòu)基因和3′端的結(jié)構(gòu)基因。由于IBV基因組的復(fù)制酶為RNA聚合酶,缺乏自我修復(fù)能力,導(dǎo)致其容易發(fā)生點(diǎn)突變、缺失,加上基因片段的插入和同源重組,使其容易發(fā)生變異。S1基因序列存在廣泛的堿基替換、缺失和插入現(xiàn)象[6]。S1基因的突變可能引起中和抗原位點(diǎn)的改變,導(dǎo)致產(chǎn)生新的血清型,還可能導(dǎo)致IBV的致病原性和組織的侵嗜性改變[7]。早期的分子生物學(xué)研究認(rèn)為,IBV的變異主要發(fā)生于S1基因,而N基因則相對(duì)保守,研究表明,N基因也易發(fā)生變異,其內(nèi)部同樣存在著基因缺失、插入和替代等變異現(xiàn)象,這表明IBV的變異并非一個(gè)單獨(dú)基因的變異,而是整個(gè)結(jié)構(gòu)基因的變異,且這種變異在4種結(jié)構(gòu)蛋白基因之間具有相關(guān)性。鄒年莉?qū)λ拇?008年-2010年分離到的19株IBV的S1基因進(jìn)行測(cè)序鑒定,并與GenBank上公布的其他參考毒株的相應(yīng)序列進(jìn)行了比較分析,19株分離株分別屬于4個(gè)基因型,15株為L(zhǎng)X-4型,為中國(guó)和四川地區(qū)主要流行毒株;1株為臺(tái)灣特有的基因型臺(tái)灣Ⅰ型;1株為具有爭(zhēng)議的“腺胃型”;2株為Mass型,是中國(guó)地區(qū)主要使用的疫苗株的基因型;各基因型間變異距離較遠(yuǎn),同源性較低[8]。這可能是目前生產(chǎn)中雖經(jīng)疫苗免疫的雞群仍然頻繁發(fā)生IB的主要有原因之一。
IBV有4種病毒特異主要結(jié)構(gòu)蛋白,即纖突(S)蛋白﹑膜糖(M)蛋白、內(nèi)部核衣殼(N)蛋白和E蛋白。
S蛋白也叫纖突蛋白,是IBV的主要結(jié)構(gòu)蛋白,決定了IBV的抗原性,位于病毒的最外面。由mRNA 2編碼,S蛋白由兩種糖多肽S1和S2各2個(gè)~3個(gè)拷貝構(gòu)成,S1約90ku,由520個(gè)~538個(gè)氨基酸組成,含有與血凝抑制、病毒中和、組織嗜性、血清型特異性相關(guān)的抗原位點(diǎn),也是IBV蛋白中變異程度最大的結(jié)構(gòu)蛋白。S2約84ku,由625個(gè)氨基酸組成,Cavanagn D證實(shí)S蛋白翻譯后經(jīng)過(guò)裂解產(chǎn)生S1的N端和S2的C端,兩者之間由二硫鍵連接,S1在外形成一個(gè)泡狀結(jié)構(gòu),S2通過(guò)一個(gè)小的疏水跨膜片段嵌入病毒膜中,形成S1的柄 ,將S1蛋白錨定在膜上,裂解處的氨基酸序列模式為:-Arg-Arg-X-Arg-Arg-C(X為任一氨基酸),裂解位點(diǎn)緊靠第2對(duì)Arg,此序列在不同的IBV毒株中是保守的。Jackwood M W等發(fā)現(xiàn)IBV S蛋白裂解位點(diǎn)序列可能與IBV來(lái)源的區(qū)域有關(guān)。S蛋白具有信號(hào)肽,在翻譯時(shí)將此插入粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,S蛋白上有28或29個(gè)糖基化位點(diǎn),其中,S1可能有17個(gè),S2可能有12個(gè)。大多數(shù)IBV的血清型抗原決定簇主要位于S1蛋白的N端,研究發(fā)現(xiàn)在S1蛋白上還有2個(gè)額外的抗原決定簇區(qū),分別位于第294位~316位氨基酸處和第532位~537位氨基酸處,S2蛋白也還有一額外的抗原決定簇區(qū),位于第566位~584位氨基酸處,它們可能有保護(hù)作用。S2的N端位于囊膜外面,C端位于膜內(nèi)。S蛋白有很多重要的生物學(xué)功能,只有S蛋白被宿主細(xì)胞的蛋白酶裂解成S1和S2兩個(gè)糖多肽時(shí),IBV病毒才能與宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜融合。Cavanagn M A等研究表明,S1蛋白能誘發(fā)產(chǎn)生病毒中和抗體和血凝抑制抗體。閆芳等[9]證實(shí)了S1可以激活機(jī)體的免疫應(yīng)答。Casais R等發(fā)現(xiàn)S1蛋白具有決定IBV的組織親和性及其毒力方面的作用。S1蛋白與病毒的免疫保護(hù)性有關(guān),也是決定IBV血清特異性抗原決定簇的主要蛋白。Collisson E W等發(fā)現(xiàn)S1蛋白還能誘導(dǎo)雞的特異性細(xì)胞毒性T細(xì)胞應(yīng)答。Ignjatovic J等發(fā)現(xiàn)S1的高變區(qū)與中和表位有關(guān)。S2蛋白在多數(shù)IBV毒株中相對(duì)保守,其主要是錨定S1蛋白作用,使S1蛋白誘導(dǎo)產(chǎn)生交叉反應(yīng)和細(xì)胞介導(dǎo)的免疫應(yīng)答。Collisson E W等研究表明S2糖蛋白可誘發(fā)較弱的中和抗體。雖然S2相對(duì)保守,但其變異影響與S1之間的相互作用,進(jìn)而影響S蛋白與IBV特異性的結(jié)合。因?yàn)镾2相對(duì)保守,同時(shí)S2蛋白誘發(fā)產(chǎn)生交叉反應(yīng)抗體的抗原決定簇具有免疫優(yōu)勢(shì),因此,S2可以用于制作IBV疫苗。
M蛋白也叫基質(zhì)蛋白,由mRNA 4編碼,含有224個(gè)~225個(gè)氨基酸,分子質(zhì)量為23ku~35ku,M蛋白實(shí)際就是橫跨囊膜的轉(zhuǎn)膜分子,M蛋白大部分在囊膜內(nèi)側(cè),與核衣殼相互作用,僅有10%糖基化的N端暴露于病毒外表面,可能形成抗原決定簇。M蛋白未糖基化時(shí)的分子質(zhì)量約為23ku,隨糖基化程度的不同形成一系列分子質(zhì)量從23ku~34ku不等的蛋白質(zhì)。M蛋白的N端有2個(gè)糖基化位點(diǎn),其序列高度保守。不同IBV毒株的M基因發(fā)生堿基的重組、替換、插入或缺失是引起其N端糖基化位點(diǎn)的差異的原因。囊膜外的M蛋白的變異率高于鑲嵌部分的M蛋白。M蛋白可以在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體膜處聚集,此處是病毒的出芽部位,同時(shí)可以在病毒的復(fù)制過(guò)程中發(fā)揮作用,在有補(bǔ)體的情況下可以中和病毒的感染。殷震等發(fā)現(xiàn)M蛋白與抗感染﹑誘導(dǎo)白細(xì)胞產(chǎn)生α干擾素等有關(guān)。Masters P S發(fā)現(xiàn)M蛋白參與了S蛋白的定位和病毒樣顆粒(VLP)的形成。研究還發(fā)現(xiàn) M蛋白與S蛋白和N蛋白相比,其免疫原性最低。
N蛋白由mRNA 6編碼,分子質(zhì)量約46ku,N蛋白位于病毒粒子的內(nèi)部,是一種由409個(gè)氨基酸殘基組成的堿性磷酸化蛋白質(zhì),被磷酸化后的分子質(zhì)量約51ku,其氨基酸組成中約有17%為堿性氨基酸,其中包括199個(gè)His、42個(gè)Lys和3個(gè)Arg。N蛋白是唯一位于膜內(nèi)的蛋白質(zhì),與S蛋白相比,其保守性很高。N蛋白纏繞RNA基因組形成核糖核蛋白體(RNP),參與RNA的合成、轉(zhuǎn)錄和翻譯。在細(xì)胞免疫和體液免疫中,N蛋白可以免疫識(shí)別相關(guān)靶位。Boots A M等發(fā)現(xiàn)N蛋白不僅能激活T細(xì)胞,而且能提高B細(xì)胞產(chǎn)生抗體的能力。Ignjatovic J等研究表明,N蛋白上的抗原決定簇可以產(chǎn)生高于S蛋白的交叉反應(yīng)抗體,還可以誘導(dǎo)產(chǎn)生特異性CTL應(yīng)答,后來(lái)被Yu L等證實(shí)誘導(dǎo)的CTL抗原表位對(duì)急性感染的雛雞有一定的保護(hù)作用。2013年Jayaram J[10]進(jìn)一步證實(shí)N蛋白在病毒的復(fù)制中起作用。張淑霞等研究表明,N蛋白具有高度的生物活性,有望作為新的基因工程抗原用于雞傳染性支氣管炎病毒的群特異性診斷。早期認(rèn)為N基因高度保守,N蛋白也被用來(lái)作為診斷工具,但Sech J N等研究表明不同IBV毒株N基因之間的變異可使病毒的生物特性發(fā)生改變。
E蛋白或者稱小囊膜蛋白(sM),由mRNA 3的ORF3c編碼,分子質(zhì)量為12.4ku。1985年發(fā)現(xiàn)IBV基因中存在E基因,1991年發(fā)現(xiàn)E蛋白。E蛋白以很少的量結(jié)合在囊膜上,可能與病毒子形成有關(guān)。Corse E等證實(shí)E蛋白在病毒的復(fù)制過(guò)程中,參與病毒樣顆粒(VLP)形成和病毒出芽。VLP在IBV的黏膜免疫中起作用。E蛋白編碼一段在IBV株間高度保守的序列CTTAACAA,這段序列與M基因的轉(zhuǎn)錄有關(guān)。E蛋白有組裝病毒的功能和感染細(xì)胞的凋亡有關(guān)。Boursnell等研究發(fā)現(xiàn)E基因是以IBV為代表的冠狀病毒屬抗原Ⅰ群和Ⅱ群區(qū)別于其他冠狀病毒抗原Ⅲ群的主要標(biāo)志之一。Marta L D等研究發(fā)現(xiàn)E蛋白并不是病毒復(fù)制必需的,但是它影響病毒生長(zhǎng),缺失E蛋白導(dǎo)致病毒的復(fù)制滴度比野生型感染性克隆低100倍以上。
RT-PCR具有特異、快速、實(shí)用、安全等優(yōu)點(diǎn),適用于不同來(lái)源及不同血清型IBV的檢測(cè)。1992年Jackwook M W等應(yīng)用RT-PCR技術(shù)對(duì)5個(gè)血清型的8株IBV進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果這8株病毒均被檢出。1994年王林川等用RT-PCR技術(shù)檢測(cè)了廣東分離的IBV。Jahantigh M等[11]利用RT-PCR技術(shù)證實(shí)在扎布爾存在IBV Mass型。RT-PCR在基因測(cè)序、基因表達(dá)、反向遺傳的研究中也得到應(yīng)用。趙芳芳[12]應(yīng)用RT-PCR方法對(duì)Sczy3分離株基因組全序列進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明Sczy3分離株具有典型的禽狀病毒基因序列特征。張小榮[13]采用RT-PCR的方法從mRNA水平鑒定重組病毒rMDV-Sl能夠正確表達(dá)S1基因。周生等[14]應(yīng)用RT-PCR方法通過(guò)反向遺傳操作技術(shù)構(gòu)建了H120疫苗株的全長(zhǎng)cDNA感染性克隆。
RT-PCR在確定分離株的血清型也得到廣泛的應(yīng)用。1996年Adzhar A等首次擴(kuò)增出IBV Mass型的特異性引物,隨后1997年Cavangh D等設(shè)計(jì)并擴(kuò)增出793/B、荷蘭株D274、Mass型特異的引物。1999年,劉思國(guó)等設(shè)計(jì)了傳染性支氣管炎病毒疫苗株的特異性引物,將此毒株與其他的流行株區(qū)分開(kāi)。此種方法可以確定傳染性支氣管炎暴發(fā)中的主導(dǎo)血清型,這對(duì)選擇使用合適的疫苗或開(kāi)發(fā)針對(duì)此血清型的新疫苗有極大的作用,目前這種方法的缺點(diǎn)是特異性引物不多,這就使這種方法應(yīng)用受到限制,但是隨著不斷的研究會(huì)克服此缺點(diǎn),使此項(xiàng)技術(shù)得到更好地應(yīng)用。RT-PCR自身也有缺點(diǎn),由于弱毒疫苗株在宿主體內(nèi)的復(fù)制,導(dǎo)致出現(xiàn)假陽(yáng)性結(jié)果,影響對(duì)疫病的判斷。
RFLP技術(shù)是利用限制性酶對(duì)不同個(gè)體的基因組DNA進(jìn)行切割,根據(jù)含同源序列的酶切片段在長(zhǎng)度上存在的差異進(jìn)行鑒定。1993年Kwon H M等首次對(duì)11個(gè)IBV參考株的S1全基因產(chǎn)物用HaeⅢ﹑XcmⅠ﹑BstYⅠ3種酶進(jìn)行酶切分析,結(jié)果顯示 HaeⅢ酶可使 Holte、Ark、DPI、SE17、Md27、Iowa97與其他IBV區(qū)別開(kāi)來(lái)。1997年步志高等利用該技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的8株IBV進(jìn)行分析,確定了各毒株的基因型。2012年Sumi V等[15]采用RFLP技術(shù)首次證實(shí)在印度存在793/B型IBV。RFLP技術(shù)重復(fù)性好,但對(duì)DNA的量要求大﹑步驟繁瑣﹑檢出率低,提供的信息有限。
此方法是根據(jù)不同的血清型具有不同的核苷酸指紋圖譜這一事實(shí)為依據(jù)來(lái)分析的。其原理是從純化的IBV中提取核酸,經(jīng)T1核糖核酸酶消化后,用32P標(biāo)記,然后將混合物先后在10%、20%聚丙烯酰胺凝膠中進(jìn)行垂直雙向電泳,放射自顯影后,根據(jù)圖譜上的斑點(diǎn)進(jìn)行分析。1990年Butcher G D等利用該方法對(duì)雞胚上分別傳代10、100代的T株Ark DPI株和M41株進(jìn)行分析,結(jié)果顯示它們的圖譜都有差異。這種方法具有靈敏度高,重復(fù)性好,而且可以鑒別同一血清型的不同毒株,但是此方法只有當(dāng)樣品的基因序列同源性在95%以上才有一定的價(jià)值[16]。
應(yīng)用標(biāo)記技術(shù)制備放射性標(biāo)記或生物素標(biāo)記的核酸探針,檢測(cè)IBV。該技術(shù)具有敏感﹑特異﹑快速等優(yōu)點(diǎn)。TDK Brown T D K等最早運(yùn)用P標(biāo)記的IBV的cDNA以檢測(cè)IBV的RNA。Jackwood M W等用核酸探針技術(shù)檢出的最小IBV的量為125ng。1993年Kwon H M等研究表明核酸探針技術(shù)與電鏡觀察法(EM)相比較,此方法敏感度比EM高。2007年孟凡磊等制備的地高辛標(biāo)記的IBV核酸探針對(duì)IBV的最低檢出量為10pg。
近年來(lái),IBV在國(guó)內(nèi)的流行日趨嚴(yán)重,已經(jīng)成為對(duì)我國(guó)養(yǎng)雞業(yè)危害最為嚴(yán)重的病毒性傳染病之一。本病的易感動(dòng)物主要是雞,各種日齡與品種的雞均易感。IBV自然感染通常在48h內(nèi)出現(xiàn)癥狀;人工接種后的1d~7d都能檢測(cè)到該病毒。IBV的流行具有地域性,這一特點(diǎn)就決定了IB疫苗的研制和使用應(yīng)針對(duì)特定地區(qū)流行的特定型的IBV[17]。張小榮[13]研究表明目前在我國(guó)流行的所有基因型毒株的原型毒株是 QX型、LSC/99I型、793/B型、LDL/97I型和TWⅠ型,除此之外新出現(xiàn)的基因型均是在這6個(gè)基因型的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)一次以上的同源重組而產(chǎn)生的。雞群IBV的流行具有遺傳多樣性,并不斷發(fā)生變異和進(jìn)化;雖然新的IBV毒株不斷出現(xiàn)導(dǎo)致雞群長(zhǎng)期受IB困擾,但沒(méi)有出現(xiàn)新的優(yōu)勢(shì)流行毒株,現(xiàn)用疫苗還有一定的免疫保護(hù)效果[18]。
反向遺傳學(xué)技術(shù)是直接從生物的遺傳物質(zhì)入手,利用現(xiàn)代生物學(xué)理論與技術(shù),采用“基因→性狀”的研究路線,研究生物體遺傳和變異規(guī)律,揭示生物的表現(xiàn)型與基因型之間的關(guān)系,進(jìn)而來(lái)闡述生物生命發(fā)生的本質(zhì)現(xiàn)象。自1978年第1例RNA病毒Q β噬菌體的成功拯救以來(lái),各類RNA病毒的分子生物學(xué)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。IBV由于基因組比較大,病毒傳代易變異,病毒的復(fù)制酶cDNA在細(xì)菌中不能穩(wěn)定存在,從而使其全長(zhǎng)cDNA無(wú)法轉(zhuǎn)錄。隨著大多數(shù)單股正鏈RNA病毒通過(guò)反向遺傳技術(shù)成功獲得拯救,冠狀病毒于2000年在體外拯救獲得成功。2001年Casais R等利用痘病毒載體成功構(gòu)建了IBV的反向遺傳學(xué)操作系統(tǒng)。2003年,Casais R等應(yīng)用反向遺傳學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)IBV組織嗜性的決定因子是S蛋白;2006年Tan等應(yīng)用反向遺傳操作技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)N蛋白與RNA的結(jié)合對(duì)于維持病毒的感染性非常重要。2013年Zhou Y S等[19]利用反向遺傳技術(shù)建立了傳染性支氣管炎H120弱毒疫苗株。反向遺傳學(xué)操作系統(tǒng)的成功構(gòu)建為全面研究IBV的基因組、結(jié)構(gòu)蛋白和致病機(jī)制提供了技術(shù)平臺(tái),為基因工程疫苗和藥物的研發(fā)具有巨大的推動(dòng)作用,為防控傳染性支氣管炎奠定了基礎(chǔ)。
IBV較高的基因突變率造成了IBV的血清型復(fù)雜[20],大量的試驗(yàn)表明IBV的血清型達(dá)到30多種,并仍有不斷上升的趨勢(shì),各血清型或毒株之間交叉保護(hù)性較弱,從而給本病的防控帶來(lái)較大的困難,因此對(duì)IBV進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和防控成為科學(xué)工作者的重要研究方向。目前,雖然表達(dá)主要免疫原基因的不同表達(dá)系統(tǒng)對(duì)IBV都有部分保護(hù)作用,但大多數(shù)IBV基因工程疫苗免疫保護(hù)率比傳統(tǒng)IBV疫苗免疫效果偏低,還需進(jìn)一步研究[13]。
研究表明,IBV的宿主范圍已經(jīng)在逐漸擴(kuò)大,這種宿主適應(yīng)性的分子機(jī)制還不清楚;IBV的基因與功能之間的相互關(guān)系還不完全明白,特別是基因變異對(duì)IBV的宿主范圍、血清型以及流行病學(xué)方面的影響有待更深的研究;傳統(tǒng)疫苗一個(gè)不容忽視的弱點(diǎn)就是不能區(qū)分野毒感染與疫苗免疫,標(biāo)記疫苗也是IBV未來(lái)的研究方向。而IBV反向遺傳操作系統(tǒng)的建立為IBV的進(jìn)一步研究提供了技術(shù)支撐,便于研究者對(duì)IBV基因組結(jié)構(gòu)、基因功能﹑致病機(jī)制以及基因工程疫苗等方向的研究。
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