噬菌體療法：精準(zhǔn)打擊土傳病原菌 有望替代化學(xué)農(nóng)藥和抗生素
來源：科技日報 發(fā)布時間：2023-02-09 15:07:27
噬菌體療法：精準(zhǔn)打擊土傳病原菌 有望替代化學(xué)農(nóng)藥和抗生素
◎本報記者 金 鳳
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)隊的最新研究論文。該團(tuán)隊研究發(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)。
靶向消滅病原細(xì)菌，對環(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)藥的濫用會顯著增加病原細(xì)菌的耐藥性和抗性基因的風(fēng)險傳播。此外，在病原細(xì)菌與其宿主植物互作的熱點區(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，也會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、動植物、環(huán)境健康，亟須有效靶向消滅土傳病原細(xì)菌并對環(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。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)。”論文共同通訊作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授韋中告訴科技日報記者。
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：噬菌體可以識別特定病原細(xì)菌，對環(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。
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。”韋中所言非虛。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)隊將目標(biāo)對準(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，可導(dǎo)致作物大面積減產(chǎn)甚至絕收。
“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)菌會紛紛‘占位’，細(xì)菌之間會上演一場此消彼長的攻防戰(zhàn)。”韋中說，團(tuán)隊在此次研究中發(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威力
與廣譜抑菌的抗生素相比，噬菌體療法有很強的專一性，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，抗性也會隨之發(fā)生變化。這需要針對不同特點的病原細(xì)菌作研究，不斷篩選噬菌體，進(jìn)行精準(zhǔn)治療。”韋中說。
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青枯菌專性噬菌體。”韋中說，有了資源庫，就可以結(jié)合培養(yǎng)組學(xué)、實驗進(jìn)化學(xué)、機器學(xué)習(xí)等，構(gòu)建基因組預(yù)測噬菌體抗性的模型，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)展和對噬菌體侵染機制了解的不斷深入，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噬菌體的裂解效率等。”韋中說。
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，每個病原細(xì)菌的變異有限，人工智能可以在積累大量的實驗數(shù)據(jù)和機器學(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。”沈其榮表示。
責(zé)任編輯：邢敏
