“專性獵殺”“精準靶向”——噬菌體的強大之處遠不止如此

　　 噬菌體是環境中普遍存在的一類專門侵染細菌的病毒。此前，科學家對噬菌體能否抑制土壤中的病原菌不甚了解。

　　當地時間12月2日，《自然-生物技術》發表南京農業大學資源與環境科學學院最新研究成果。該成果揭示，噬菌體不僅可以“專性獵殺”和“精準靶向”土傳青枯病的病原菌，降低其生存競爭能力；同時還能夠重新調整根際土壤菌群結構，恢復群落多樣性，增加群落中拮抗有益菌的豐度。

　　其實，這篇論文為一幅繪制了15年之久的土壤根際菌群“作戰圖”提供了一種作戰方案。

　　論文共同通訊作者、南京農業大學教授沈其榮告訴《中國科學報》：“作為土壤肥料工作者，我們團隊早在15年前就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。”

　　決定性因素：根際菌群結構與功能

　　土壤、作物、病原菌、微生物，這是長期以來盤旋在南京農業大學青年教授韋中腦海中的四個關鍵詞。作為論文共同第一作者和共同通訊作者，韋中在調查中發現，即使是病害爆發嚴重的田塊，也存在少量的健康植株，即“田間斑塊化”現象。

　　這到底是由于局部區域土壤環境優良，還是健康植株獲得了獨特的抗病基因？是土壤中病原菌數量的差異，亦或是健康土壤中有抑制病原菌生長的有益菌？對土壤及其中的微生物進行“全面體檢”成了解開謎題的一個可能的途徑。

　　可是，給土壤做“體檢”談何容易。土傳青枯病致病菌是青枯菌，在土壤中能存活達10多年。青枯菌能夠侵染番茄、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。

　　在沈其榮帶領下，該團隊將問題逐個分解，分步驟進行各個擊破。

　　他們從“田間斑塊化”現象入手，團隊成員、教授徐陽春和韋中設計了一個非破壞性根際土壤樣品連續采集裝置，實現了在田間條件下對單株作物不同生育期根際菌群等特性的動態跟蹤。

　　徐陽春介紹，結果發現，是否發病主要取決于作物苗期接觸的土壤微生物群落的結構和功能特征，而苗期病原菌的數量、土壤理化特性等不是主要決定因素，這一發現發表于《科學進展》。

　　“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。”沈其榮說，這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。

　　“相互制衡”才能和諧共存

　　根際是指受根系影響的土壤微域。“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，才知道如何調控根際菌群。”韋中說。

　　隨后，他們以六種根際土著細菌為材料，組建簡單的合成菌群，探究了群落成員兩兩互作關系，即對抗型互作、便利型互作分別與作物抵御病原菌入侵能力之間的關系。

　　團隊成員李梅介紹，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。“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。相反，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。”這一成果發表于國際期刊Ecology Letters。

　　在此基礎上，團隊成員借鑒生物多樣性—生態系統功能理論，建立了有益菌群營養資源競爭利用網絡模型。論文合作者、荷蘭烏特勒支大學Alexandre Jousset博士介紹，他們發現資源利用連接度高和嵌套度低的有益菌群能更好地降低土傳青枯菌的入侵成功率，有益菌群與青枯菌資源利用重疊度又決定了青枯菌入侵的程度。這一工作發表于《自然—通訊》。

　　沈其榮認為，這指明了根際菌群互作調控方向和調控機制，即“增加競爭”；同時表明“相互制衡”的微生物群落社會，才是和諧可持續的。

　　削弱病原菌競爭能力

　　然而，在土傳病害高發區域，單一的綠色調控措施往往不穩定。這導致農戶選擇傳統化學農藥和熏蒸等方法。韋中告訴《中國科學報》，這些方法在殺滅病原菌的同時也破壞了土壤正常的微生物群落，危及到土壤微生物天然的抑病能力，這樣土傳病原菌二次侵染時往往造成更大的危害。

　　如何對癥下藥、“精確制導”，削弱土壤病原菌競爭能力，成為團隊要解決的下一個難題。

　　在論文共同通訊作者、英國約克大學Ville-Petri Friman博士醫學研究工作的啟發下，噬菌體憑借其通過高效裂解實現特異性侵染、協同進化，動態阻控病原菌的特性，進入團隊的視野。

　　他們從廣西、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。其次，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，組合成不同豐富度的噬菌體組合，好比“噬菌體雞尾酒”，以提高噬菌體療法的效果。最后通過溫室和大田研究發現，噬菌體組合能夠顯著降低青枯病的發生。

　　原來，噬菌體組合能殺滅根際病原青枯菌，使其數量顯著降低；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它微生物競爭的能力減弱，再次侵染作物根系的能力會下降。”

　　然而，當大量病原青枯菌被獵殺時，宿主相關微生物群落發生了什么變化？這種變化對宿主健康有利嗎？這是噬菌體“雞尾酒”療法必須回答的生態風險和作用機制問題。

　　“這種影響是積極的。”團隊成員、王孝芳博士介紹，首先，青枯菌噬菌體不能侵染土壤中其他細菌，侵染特異性很強；其次，單獨接種噬菌體對土壤微生物群落擾動很小，而且可以讓土壤群落多樣性恢復到原有水平；再次，細菌群落中那些競爭能力強的物種在群落結構調整中獲得了優勢，可能進一步提高了群落抑病能力。

　　上述成果即發表于12月2日的《自然—生物技術》。

　　“我們的研究改變了土壤微生物菌群以往的點對點單兵作戰模式，轉向構建生態型的群體戰略體系研究；而對于作物的勁敵——土傳病原菌而言，并非要‘趕盡殺絕’，而是在土壤有益菌良性互作中，把有害菌有效制衡起來，實現綠色生態的目標。”沈其榮說。