2023-02-18 08:20:08
利用噬菌體阻控病原細(xì)菌的手段被稱為“噬菌體療法”，這是一種有望替代抗生素的綠色生態(tài)技術(shù)。目前，國內(nèi)已有研究單位針對(duì)不同的植物病害收集了大量的噬菌體資源，研究不同噬菌體的作用機(jī)制，以及噬菌體之間的相互影響，利用不同噬菌體聯(lián)合抑制土壤病原細(xì)菌。
噬菌體，是專門“吃”細(xì)菌的一類病毒，它們廣泛存在于海洋和陸地自然生態(tài)系統(tǒng)中。噬菌體通過侵染宿主細(xì)菌，可以調(diào)控細(xì)菌種群數(shù)量，驅(qū)動(dòng)細(xì)菌群落多樣性和組成的變化，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)功能。
但長久以來，土壤中的噬菌體與作物土傳病害的關(guān)系還鮮有研究。
近日，國際學(xué)術(shù)期刊《微生物組》在線發(fā)表了中國工程院院士、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授沈其榮團(tuán)隊(duì)的最新研究論文。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，土傳青枯病的發(fā)生，與作物根際噬菌體群落構(gòu)成及噬菌體—宿主細(xì)菌的互作特征密切相關(guān)。該研究首次證明特異性侵染土著細(xì)菌的噬菌體，對(duì)土傳病原細(xì)菌青枯菌入侵的潛在影響，為利用噬菌體消減青枯菌導(dǎo)致的作物土傳青枯病提供了新的理論基礎(chǔ)。
▲番茄青枯病
▲辣椒青枯病
靶向消滅病原細(xì)菌，對(duì)環(huán)境更友好
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化學(xué)農(nóng)藥和抗生素已被廣泛使用，但不合理的使用會(huì)造成土壤功能退化、環(huán)境污染等問題。
“例如，化學(xué)農(nóng)藥的濫用會(huì)顯著增加病原細(xì)菌的耐藥性和抗性基因的風(fēng)險(xiǎn)傳播。此外，在病原細(xì)菌與其宿主植物互作的熱點(diǎn)區(qū)還存在大量土著微生物，這些微生物通過復(fù)雜的協(xié)同互作，在抵御病原細(xì)菌侵入和感染宿主植物中發(fā)揮重要作用。然而，廣譜殺菌的抗生素和化學(xué)農(nóng)藥等在抑制病原細(xì)菌的同時(shí)，也會(huì)破壞土壤中土著微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定。”沈其榮介紹，要護(hù)衛(wèi)土壤、動(dòng)植物、環(huán)境健康，亟須有效靶向消滅土傳病原細(xì)菌并對(duì)環(huán)境友好的新措施。
噬菌體，便是其中的“天選之子”。噬菌體是專門侵染細(xì)菌的一類病毒，在環(huán)境中普遍存在，“目前地球生物圈中噬菌體的數(shù)量高達(dá)10^31個(gè)。利用噬菌體阻控病原細(xì)菌的手段被稱為‘噬菌體療法’，這是一種有望替代抗生素的綠色生態(tài)技術(shù)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授韋中告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
目前，噬菌體療法已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療、畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和種植業(yè)等領(lǐng)域。
韋中介紹，噬菌體療法具有幾大優(yōu)勢(shì)：
噬菌體可以識(shí)別特定病原細(xì)菌，對(duì)環(huán)境影響??；
噬菌體可以利用宿主進(jìn)行增殖，并進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，高效裂解病原細(xì)菌；
噬菌體療法的應(yīng)用可以減少抗生素的使用，為食品安全提供保障。
▲番茄青枯病病株維管束變褐色，左邊的是健壯株，右邊的是病株
▲茄子青枯病剖開莖部看到木質(zhì)部變褐，擠壓切面會(huì)流出菌
打造噬菌體“雞尾酒”，守護(hù)植物健康
“在抗生素普及前，噬菌體療法已經(jīng)有了應(yīng)用?！表f中所言非虛。自噬菌體被發(fā)現(xiàn)以來，噬菌體療法不斷發(fā)展，在解決由病原細(xì)菌侵染引起的作物健康問題方面已有不少嘗試。
1924年，研究人員發(fā)現(xiàn)白菜濾液中的噬菌體類物質(zhì)能夠防止由黃單胞菌引起的白菜腐爛。隨后， 該物質(zhì)又被廣泛應(yīng)用于防治由青枯菌、歐文氏菌、丁香假單胞菌和野油菜黃單胞菌等引起的茄科作物青枯病、獼猴桃細(xì)菌性潰瘍病、果樹火疫病、柑橘斑點(diǎn)病、水稻葉枯病以及土豆洋蔥軟腐病和黑脛病等。
2005年，美國環(huán)境保護(hù)局首次批準(zhǔn)了防治由野油菜黃單胞菌和丁香假單胞菌引起的番茄和辣椒的細(xì)菌斑點(diǎn)病的噬菌體產(chǎn)品。
2011年，美國環(huán)境保護(hù)局批準(zhǔn)一家公司生產(chǎn)的噬菌體生物農(nóng)藥用于防治番茄的潰瘍病。
目前，國內(nèi)已有研究單位針對(duì)不同的植物病害收集了大量的噬菌體資源，這些噬菌體為有效防控病害提供了資源保障。
沈其榮研究團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)青枯菌。青枯菌在土壤中可通過侵染作物根部，引起煙草、馬鈴薯、番茄、生姜等重要經(jīng)濟(jì)植物的萎蔫。嚴(yán)重時(shí)，可導(dǎo)致作物大面積減產(chǎn)甚至絕收。
▲番茄青枯病
“青枯菌的專性噬菌體以青枯菌為食，它們可以進(jìn)入青枯菌體內(nèi)，進(jìn)行大量增殖，并最終裂解殺死青枯菌。而土壤中還有很多土著細(xì)菌，這些細(xì)菌也有各自的‘專屬’噬菌體。當(dāng)青枯菌被其專性噬菌體抑制后，土壤中的其他細(xì)菌會(huì)紛紛‘占位’，細(xì)菌之間會(huì)上演一場此消彼長的攻防戰(zhàn)?！表f中說，團(tuán)隊(duì)在此次研究中發(fā)現(xiàn)，土壤中的土著細(xì)菌，有的是青枯菌的“幫手”，有的則是青枯菌的“敵人”，這些土著細(xì)菌與其專性噬菌體互作也能間接影響植物健康。例如，一些土著細(xì)菌可以抑制青枯菌“作孽”，而其專性噬菌體的侵染壓制，使它們的力量削弱，導(dǎo)致青枯菌更加猖狂，從而加劇病害。不同的噬菌體在土壤中像“雞尾酒”那樣混搭存在，影響著植物健康。
“這啟發(fā)我們，可以充分挖掘土壤噬菌體資源，研究不同噬菌體的作用機(jī)制，以及噬菌體之間的相互影響，利用不同噬菌體聯(lián)合抑制土壤病原細(xì)菌。”韋中解釋。
新技術(shù)賦能，噬菌體療法或可增強(qiáng)威力
與廣譜抑菌的抗生素相比，噬菌體療法有很強(qiáng)的專一性，能精準(zhǔn)靶向某一類病原細(xì)菌。不過，噬菌體療法也面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。
“與使用抗生素類似，噬菌體療法也會(huì)不可避免地誘導(dǎo)靶細(xì)菌產(chǎn)生抗性。而且病原細(xì)菌在不斷變異，抗性也會(huì)隨之發(fā)生變化。這需要針對(duì)不同特點(diǎn)的病原細(xì)菌作研究，不斷篩選噬菌體，進(jìn)行精準(zhǔn)治療?！表f中說。
除了天然的噬菌體侵染阻礙物外，細(xì)菌也進(jìn)化出一系列的抗噬菌體系統(tǒng)，來阻止噬菌體的侵染。因此，應(yīng)用單一噬菌體往往無法有效抑制環(huán)境中多樣的病原細(xì)菌，要有針對(duì)不同病原細(xì)菌的噬菌體配方。
縱然病原細(xì)菌有千般面孔，可以“七十二”變，但“魔高一尺，道高一丈”。韋中表示，目前科研人員正嘗試多種方式抑制病原細(xì)菌作惡。
“首先是建立噬菌體資源庫。近年來我們團(tuán)隊(duì)建立了全國土傳青枯菌專性噬菌體資源庫。庫里包含了我們從全國收集的幾千株青枯菌與五六百個(gè)青枯菌專性噬菌體?！表f中說，有了資源庫，就可以結(jié)合培養(yǎng)組學(xué)、實(shí)驗(yàn)進(jìn)化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等，構(gòu)建基因組預(yù)測(cè)噬菌體抗性的模型，選擇能夠侵染不同病原細(xì)菌或同一病原細(xì)菌的不同抗性突變體的噬菌體，配置噬菌體“雞尾酒”配方，將不同的噬菌體組合，有針對(duì)性地殺滅病原細(xì)菌。
“其次，隨著合成生物學(xué)的發(fā)展和對(duì)噬菌體侵染機(jī)制了解的不斷深入，可以通過基因編輯定向改造噬菌體，如改變、擴(kuò)大噬菌體的宿主范圍以及增強(qiáng)噬菌體的裂解效率等?！表f中說。
人工智能也為提高噬菌體的有效性提供了更多可能。韋中認(rèn)為，每個(gè)病原細(xì)菌的變異有限，人工智能可以在積累大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)后，判斷病原細(xì)菌基因突變的可能性及致病性的大小，并據(jù)此篩選、設(shè)計(jì)相應(yīng)的噬菌體。
“盡管噬菌體療法還面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，但發(fā)揮其優(yōu)化微生態(tài)的優(yōu)勢(shì)是解決土壤病原細(xì)菌危害，提升土壤—植物系統(tǒng)健康的重要路徑之一?！鄙蚱錁s表示。
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