 噬菌體精準調控病原菌-根際菌群互作圖。南京農業大學供圖 土壤生病了怎么治？給它來一針“疫苗” 怎么樣？南京農業大學資源與環境科學學院沈其榮教授團隊揭開了地下菌群部落的秘密。他們發現這個自然界存在的“疫苗”——噬菌體，它不僅是一個專職獵殺病原菌的狙擊手，能降低病原菌生存競爭能力，同時還能夠重新調整土壤菌群的結構，恢復群落多樣性，增加群落中有益菌的數量，達到菌落平衡，讓土壤康復。 12月初，沈其榮教授帶領的土壤微生物與有機肥團隊在利用噬菌體定向調控土壤菌群-防控土傳青枯病領域取得重要進展，成果以《噬菌體“雞尾酒”防控番茄青枯病》為題發表在國際頂級學術期刊《自然生物技術》上。 隨著集約化農業的發展，化肥農藥的持續過量使用，作物的單一連作，導致土壤微生物群落結構嚴重失衡，生態功能急劇削弱。 土壤養分周轉不暢、污染難以消解、土傳病害頻發就是土壤微生態失衡的重要證據，這些也是農業資源與環境領域亟待解決的難題。 “土壤不健康了，給作物供應再多養分也沒有用。為維持和提升土壤健康，作為土壤肥料工作者，我們團隊早在15年前把解決土傳病害這一國家重大需求列為重要研究方向，力爭解決這一難題。”沈其榮告訴記者。 找到抗病“疫苗”——噬菌體 2007年10月，韋中剛攻讀研究生。在南京麒麟鎮的一塊番茄田，他驚訝地發現，很多番茄就像蒸過桑拿似地耷拉著。有些植株上午看著還挺健壯，到了中午就“病蔫蔫兒”的，有些莖稈里就像“流膿”一樣。 導師徐陽春教授告訴韋中，這是染上了土傳青枯病，致病菌是青枯菌，在土壤中能存活可達10多年。 青枯菌在土壤中存活時間長，能夠侵染番茄、茄子、辣椒、煙草、生姜、花生等400多種植物，常導致作物減產，甚至絕收。 “傳統化學農藥和熏蒸等方法短期內見效快，但病原菌容易形成耐藥性。”韋中介紹，再加上農藥和熏蒸劑靶向性不強，在殺滅病原菌的同時也破壞了土壤正常的微生物群落，危及到土壤微生物的生態功能，很可能導致病原菌二次侵染時造成更大危害。 傳統化療方法進入了死胡同。能否找到既能精準獵殺土壤病原菌，又不破壞土壤微生物群落結構和生態功能的好辦法呢？這是可持續農業發展急需的土傳病害防控技術“精準治療+生態友好”。 2014年5月，來南京農業大學訪問的芬蘭人Ville Petri Friman博士提起他們醫學研究工作使用噬菌體療法。在這個啟發下，韋中和南農大博士王孝芳把目光聚焦到“噬菌體”這一特殊土壤微生物上。 據了解，噬菌體是一類專門侵染細菌的病毒，在環境中普遍存在，在土壤、糞便中大量存在。噬菌體對細菌具有高度侵染性，可以實現對特定病原菌的精準裂解，并且能夠動態壓制病原菌數量。 目前，國內外不少學者利用噬菌體在醫學、養殖、果蔬保鮮、農業病害防控等領域做了不少嘗試。 但土壤環境復雜，噬菌體療法在土傳細菌性病害防控中的效果還不穩定。最重要是的，噬菌體在土壤中抑制土傳病原菌的作用機制還沒有闡明清楚。 為解決這些問題，實驗室首先從廣西、江蘇、浙江和江西不同地區分離到1000多株病原青枯菌，并篩選到能高效裂解病原菌的噬菌體。 “根據噬菌體的來源和侵染特性等選擇了4株噬菌體為材料，組合成不同含量的噬菌體組合，以提高噬菌體療法的效果。”韋中解釋說。 通過溫室和大田研究，研究人員發現噬菌體組合能夠顯著降低青枯病的發生。噬菌體組合處理使得根際病原青枯菌數量顯著降低，并且組合多樣性越高，病原菌成功突變抵御噬菌體的概率越低。 即便有一些青枯菌成功突變、殘存了下來，但它們的生長顯著減緩，這說明它們與土壤中其他微生物競爭的能力減弱，再次侵染作物根系的能力會下降。因此，噬菌體組合獵殺并致弱病原菌是其在根際發揮作用的一個重要機制。 童年生長環境決定成年健康 青枯菌是經過土壤傳播的病害，土壤菌群是個復雜的生態系統，怎樣才能真正控制土攘傳播病害發生？ 韋中用的是不同于以往的生態系統的思維，他借用了《孫子兵法》做比，“天時、地利、人和，三者不得，雖勝有殃。” “天時”，就是氣候條件和施用時間；“地利”，就是土壤條件。然而，一方面，農戶種植作物的時期，恰恰是病原菌適宜的生長環境；另一方面，長期以來的化肥農藥過量使用、單一連作的耕作方式，土壤生態環境健康狀況急劇下降。 沒有天時和地利，能否構建人和？韋中把研究聚焦在“根際”，根際是指受根系影響的土壤微域，這個區域是土壤病原菌入侵根系的必經之路。根際區域內菌群構成豐富，且而菌群互作復雜，因此根際菌群必然在土傳病原菌到達作物根表之前發揮著重要作用。 韋中解釋，“也就是說，在病原菌進攻植物根系之前，必然要經過根際菌群大本營，這個陣營中都有哪些微生物？它們在干什么？它們是怎么工作的？只有將這些研究出來，才知道如何把根際菌群向‘人和’方向調控。” 傳統觀點認為作物植物發病跟土壤中病原菌的數量、土壤理化特性等因素密切相關。然而，他們的研究發現，移栽到大田的作物是否發病主要取決于作物苗期根部土壤中微生物群落結構和功能，這一突破性的發現發表在國際著名期刊《科學進展》上。 “通俗點講，也可以理解為‘童年’生長環境決定著作物‘成年’健康。”沈其榮表示，這一發現不僅指出了根際菌群對作物免疫的重要性，還為田間根際土壤菌群管理找到了抓手。 噬菌體“疫苗”能夠激發根際免疫 2016年年底，沈其榮提出了“根際免疫”概念。“這是植物免疫的外延，也是抵御土傳病原菌入侵根系的第一道免疫防線，其核心是根際菌群。”沈其榮解釋。 根際菌群到底是通過怎樣的相互作用來抑制土壤病原菌入侵的呢？有趣的是，隱藏于地表之下、肉眼看不見的微生物群落竟然和地上的人類社會一樣，有著紛繁復雜的群落互作關系。 今年9月，研究團隊發表在《科學進展》的研究也發現，在田間條件下苗期土壤細菌群落可能通過產生抑菌物質形成競爭互作型群落，有效抑制了作物生長中后期的病原菌入侵，保障作物一生健康。但這一推論沒有被證實。 到底什么樣的群落成員互作關系能抑制病原菌的入侵呢？這是一個難題，必須要把復雜問題簡單化。 2015級直博生李梅剛入學，就在韋中博士的引導下開始挑戰這個有趣的科學問題。他們以6種根際土著細菌為材料，組建簡單的合成菌群，首先探究了群落成員兩兩互作關系，隨后建立了復雜群落互作關系與抵御病原菌入侵能力的預測模型。 研究發現，便利型土著微生物群落促進了病原菌的入侵，而對抗型土著微生物群落則抑制了病原菌的入侵，這一成果發表于生態學領域頂級期刊《生態學通訊》。韋中向記者解釋，土著微生物之間通過產生大量公共物品相互提供“便利”，這也大大增加了病原菌獲取“便利”的機會，而相互制衡的群落通過充分消耗環境中資源或著分泌大量抑菌物質有效制約了機會主義者，也就能在一定程度上抑制病原菌的入侵。 實驗室研究和田間發現似乎都在說明根際免疫形成的核心是根際微生物之間形成了制約關系。噬菌體雞尾酒在獵殺大量病原青枯菌時，對宿主相關微生物群落產生了什么影響？是否也激發了根際免疫？進而保障了作物健康？ 這是噬菌體療法領域必須回答的問題，既涉及生態風險，也涉及噬菌體療法的作用機制。 “我們發現噬菌體組合顯著改變了根際細菌群落結構，細菌群落多樣性隨噬菌體組合多樣性的增加而增加，說明這種影響是積極的。”王孝芳博士說。 細菌群落為什么發生了這么大的改變，是不是噬菌體也能侵染土壤中其他細菌？答案是否定的，從土壤中分離了400株細菌，青枯菌噬菌體都不能侵染，這說明了噬菌體的侵染特異性很強。 研究人員發現，噬菌體可以修復被青枯菌破壞的微生物群落多樣性，可以恢復提升到原有水平。 深入分析發現并不是所有的土壤微生物都有機會重新獲得被噬菌體釋放出的空間和資源，細菌群落中那些競爭能力強（如產抑菌物質能力強）的一類物種似乎在群落結構調整中獲得了優勢，它們的豐度顯著增加，可能進一步提高了群落的抑病能力。這些競爭能力強的微生物群體形成了相互制衡的環境，進而與噬菌體一起共同抵御病原菌的再次入侵，有效維持了作物的健康。 沈其榮向記者解釋，這一發現表明噬菌體不僅可以“專性獵殺”和“精準靶向”病原菌，降低其生存競爭能力，同時還能夠重新調整根際土壤菌群的結構，恢復群落多樣性，增加群落中相互作用相互抵消的有益菌豐度。這就相當于，不僅找到了精確制導病原菌的“洲際導彈”，同時還觸發了根際免疫，讓打垮的根際菌群又組建了一支“鋼鐵部隊”！這將為應用推廣噬菌體療法作為精準靶控、生態安全的土傳病害防治措施提供重要的理論依據。 |
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