噬菌体：根际菌群的“作战方案”

科普小知识2022-07-13 10:02:55

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噬菌体是一种感染环境中细菌的病毒。此前，科学家对噬菌体能否抑制土壤中的致病菌知之甚少。

当地时间12月2日，《自然生物技术》发表了南京农业大学资源与环境科学学院的最新研究成果。结果表明，噬菌体不仅能“特异性杀伤”和“准确靶向”土传青枯病病原菌，降低其生存竞争力；同时，还可以调整根际土壤菌群结构，恢复群落多样性，增加群落中拮抗有益菌的数量。

事实上，这篇论文为绘制了15年的土壤根际植物区系“作战地图”提供了一个作战计划。

该论文的合著者、南京农业大学教授沈其荣告诉《中国科学日报》:“作为土壤和肥料工作者，我们的团队早在15年前就把解决土传疾病作为一项重大的国家需求和一个重要的研究方向，并试图解决这一难题。”

决定因素:根际菌群的结构和功能

土壤、作物、病原菌和微生物是南京农业大学青年魏教授心中萦绕已久的四个关键词。作为该论文的合著者和合著者，钟伟在调查中发现，即使在疾病爆发严重的地区，仍有少量健康植物，即“田间小块”。

这是由于当地良好的土壤环境还是健康的植物获得了独特的抗病基因？是土壤中病原菌数量的差异，还是健康土壤中有抑制病原菌生长的有益菌？对土壤及其微生物进行“全面的身体检查”已经成为解决这个难题的一种可能的方法。

然而，对土壤进行“体检”并不容易。土传青枯病的病原是青枯病，可在土壤中存活10年以上。青枯菌能感染400多种植物，如番茄、茄子、辣椒、烟草、生姜、花生等，经常导致作物减产甚至灭绝。

在沈其容的领导下，这个团队把问题一个一个地分解，一步一步地分解。

他们从“田间斑块”现象入手，团队成员徐阳春教授和钟伟教授设计了根际土壤样品无损连续采样装置，实现了田间条件下不同生长阶段作物根际植物区系等特征的动态跟踪。

徐阳春介绍，结果表明，病害发生与否主要取决于作物苗期接触的土壤微生物群落的结构和功能特征，而苗期病原菌数量和土壤理化性质不是主要决定因素。这一发现发表在《科学进步》上。

“一般来说，也可以理解‘童年’的生长环境决定了‘成年’作物的健康状况。”沈其容说，这不仅指出了根际植物区系对作物免疫的重要性，也为田间管理根际土壤区系找到了一个切入点。

“相互制衡”可以和谐共存

根际是指受根系影响的土壤微域。“在病原体攻击植物根部之前，它们必须通过根际植物区系的基本营地。这个营地里有什么微生物？他们在做什么？它们是如何工作的？只有进行了这些研究之后，我们才能知道如何调节根际植物区系。”钟伟说。

随后，他们以6种根际土著细菌为材料，形成了一个简单的合成菌群，并探讨了群落成员间两种相互作用的关系，即拮抗相互作用、方便相互作用与作物抵抗病原菌入侵能力的关系。

李梅队员介绍说，方便的土著微生物群落促进了病原菌的入侵，而拮抗的土著微生物群落抑制了病原菌的入侵。本土微生物通过生产大量公共产品相互提供“便利”，这也大大增加了病原菌获得“便利”的机会。相反，相互平衡的群落可以通过充分消耗环境中的资源或分泌大量抑菌物质来有效地限制机会主义者，从而在一定程度上抑制病原菌的入侵。”该结果发表在国际期刊《生态学快报》上。

在此基础上，团队成员借鉴生物多样性-生态系统功能理论，建立了有益菌营养资源竞争利用的网络模型。荷兰乌特勒支大学的Alexandre Jousset博士是该论文的合著者，他介绍说，他们发现资源利用率高、筑巢率低的有益菌能更好地降低土传青枯菌的入侵成功率，而有益菌与青枯菌资源利用率的重叠程度决定了青枯菌的入侵程度。这项工作发表在《自然通讯》上。

沈其容认为，这表明了根际植物区系相互作用的调控方向和机制，即“增加竞争”；同时，它表明一个“平衡的”微生物群落社会是和谐的、可持续的。

病原菌的竞争能力减弱

然而，在土传疾病发病率高的地区，单一的绿色控制措施往往不稳定。这导致农民选择传统的化学杀虫剂和熏蒸方法。钟伟在接受《中国科学报》采访时表示，这些方法在杀灭病原菌的同时破坏了土壤中正常的微生物群落，危害了土壤微生物的自然抑病能力，从而在土传病原菌再次感染时造成更大的危害。

如何对症下药，进行“精确指导”，削弱土壤病原菌的竞争力，成为该团队下一步要解决的难题。

受该论文的合著者和合著者Ville-Petri Friman博士的医学研究工作的启发，噬菌体凭借其通过有效裂解实现特定感染、协同进化和动态抗性以及控制病原菌的特性进入了团队的视野。

他们从广西、江苏、浙江和江西省分离出1000多株青枯病，并筛选出能有效裂解病原菌的噬菌体。其次，根据噬菌体的来源和感染特点，选择4株噬菌体作为材料，将其组合成不同丰富度的噬菌体组合，如“噬菌体鸡尾酒”，以提高噬菌体治疗的效果。最后，通过温室和田间试验，发现噬菌体组合能显著减少青枯病的发生。

结果表明，噬菌体组合能杀死根际病原菌青枯菌，并显著减少其数量。组合的多样性越高，致病菌成功突变和噬菌体抗性的概率越低。“即使一些细菌菌株成功突变并存活下来，它们的生长速度也显著减慢，这表明它们与土壤中其他微生物竞争的能力减弱，它们重新感染作物根部的能力也会降低。”

然而，当大量致病性青枯菌被杀死时，宿主相关的微生物群落发生了什么变化？这种变化对宿主的健康有益吗？这是噬菌体“鸡尾酒疗法”必须应对的生态风险和机制。

“影响是积极的。”团队成员王晓芳博士介绍说，首先，青枯病噬菌体不能感染土壤中的其他细菌，而且感染特异性非常强；其次，单独接种噬菌体对土壤微生物群落干扰小，可以将土壤群落多样性恢复到原来的水平。第三，细菌群落中的竞争种在群落结构的调整中获得了优势，这可能进一步提高群落抑制疾病的能力。

上述结果发表在12月2日的《自然-生物技术》杂志上。

“我们的研究已经把以前土壤微生物区系点对点的个体战斗模式转变为构建生态群体战略体系的研究。对于农作物的敌人——土传病原菌，我们不想“全部消灭”，而是要有效地遏制和平衡土传有益菌良性相互作用中的有害细菌，实现绿色生态的目标。”沈启容说道。