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视频解读!南京农大最新顶刊论文:噬菌体“鸡尾酒”防控番茄青枯病

2019-12-03来源:人员机构作者:党委宣传部

      北京时间12月3日,《自然—生物技术》(最新影响因子31.864)发表了南京农业大学资源与环境科学学院最新研究成果。
      该成果揭示,噬菌体不仅可以“专性猎杀”和“精准靶向”土传青枯菌的病原菌,降低其生存竞争能力;
      同时还能够重新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丰度。
据悉,噬菌体是环境中普遍存在的一类专门侵染细菌的病毒。
      此前,科学家对噬菌体能否抑制土壤中的病原菌不甚了解。

      这篇论文为一幅绘制了15年之久的土壤根际菌群“作战图”,提供了一种作战方案。
论文共同通讯作者、南京农业大学教授沈其荣说:“作为土壤肥料工作者,我们团队早在15年前就把解决土传病害这一国家重大需求列为重要研究方向,力争解决这一难题。”

决定性因素:根际菌群结构与功能

      土壤、作物、病原菌、微生物,这是长期以来盘旋在南京农业大学青年教授韦中脑海中的四个关键词。

图:韦中博士
      作为论文共同第一作者和共同通讯作者,韦中在调查中发现,即使是病害爆发严重的田块,也存在少量的健康植株,即“田间斑块化”现象。
      他们从“田间斑块化”现象入手。
      团队成员、教授徐阳春和韦中设计了一个非破坏性根际土壤样品连续采集装置,实现了在田间条件下对单株作物不同生育期根际菌群等特性的动态跟踪。

  徐阳春介绍,结果发现,是否发病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,而苗期病原菌的数量、土壤理化特性等不是主要决定因素,这一发现发表于《科学进展》。

      “通俗点讲,也可以理解为‘童年’生长环境决定着作物‘成年’健康。”沈其荣说,这不仅指出了根际菌群对作物免疫的重要性,还为田间根际土壤菌群管理找到了抓手。
      2016年底,沈其荣提出了“根际免疫”概念。
      “这是植物免疫的外延,也是抵御土传病原菌入侵根系的第一道免疫防线,其核心是根际菌群。”

“相互制衡”才能和谐共存

      “在病原菌进攻植物根系之前,必然要经过根际菌群大本营,这个阵营中都有哪些微生物?它们在干什么?它们是怎么工作的?只有将这些研究出来,才知道如何调控根际菌群。”韦中说。
      他们以六种根际土著细菌为材料,组建简单的合成菌群,探究了群落成员两两互作关系,即对抗型互作、便利型互作分别与作物抵御病原菌入侵能力之间的关系。
      这一成果发表于国际期刊Ecology Letters。
      在此基础上,团队成员借鉴生物多样性—生态系统功能理论,建立了有益菌群营养资源竞争利用网络模型。
      论文合作者、荷兰乌特勒支大学Alexandre Jousset博士介绍,他们发现资源利用连接度高和嵌套度低的有益菌群能更好地降低土传青枯菌的入侵成功率,有益菌群与青枯菌资源利用重叠度又决定了青枯菌入侵的程度。
      这一工作发表于《自然—通讯》。
      沈其荣认为,这指明了根际菌群互作调控方向和调控机制,即“增加竞争”;同时表明“相互制衡”的微生物群落社会,才是和谐可持续的。

削弱病原菌竞争能力

      在土传病害高发区域,单一的绿色调控措施往往不稳定。
      这导致农户往往选择传统化学农药和熏蒸等方法。
但这些方法在杀灭病原菌的同时,也破坏了土壤正常的微生物群落,危及到土壤微生物的生态功能,尤其是其天然的抑病能力,这样土传病原菌二次侵染时往往造成更大的危害。
如何对症下药、“精确制导”,削弱土壤病原菌竞争能力,成为团队要解决的下一个难题。


图:田间番茄青枯病的发病情况

      在论文共同通讯作者、英国约克大学Ville-Petri Friman博士医学研究工作的启发下,噬菌体凭借其通过高效裂解实现特异性侵染,协同进化,动态阻控病原菌的特性,进入他们的视野。
他们从广西、江苏、浙江和江西不同地区分离到1000多株病原青枯菌,并筛选到能高效裂解病原菌的噬菌体。

图:噬菌斑


      其次,根据噬菌体的来源和侵染特性等选择了4株噬菌体为材料,组合成不同丰富度的噬菌体组合,好比“噬菌体鸡尾酒”,以提高噬菌体疗法的效果。
      最后通过温室和大田研究发现,噬菌体组合能够显著降低青枯病的发生。


图:健康和发病番茄的对比
      原来,噬菌体组合能杀灭根际病原青枯菌,使其数量显著降低;并且组合多样性越高,病原菌成功突变、抵御噬菌体的概率越低。
      “即便有一些青枯菌成功突变、残存了下来,但它们的生长显著减缓,这说明它们与土壤中其它微生物竞争的能力减弱,再次侵染作物根系的能力会下降。”
      然而,当大量病原青枯菌被猎杀时,宿主相关微生物群落发生了什么变化?这种变化对宿主健康有利吗?
      这是噬菌体疗法必须回答的问题,既涉及到生态风险,也涉及到作用机制。
      “这种影响是积极的。”
      团队成员、王孝芳博士介绍,首先,从土壤中分离的400株细菌,青枯菌噬菌体都不能侵染,这说明了噬菌体的侵染特异性很强;
      其次,单独接种噬菌体对土壤微生物群落扰动很小,而且可以修复由于病原青枯菌导致的土壤群落多样性显著下降,并使之恢复到原有水平;
      再次,细菌群落中那些竞争能力强(如产抑菌物质能力强)的物种在群落结构调整中获得了优势,它们的丰度显著增加,可能进一步提高了群落抑病能力。
      上述成果即发表于12月3日(北京时间)的《自然—生物技术》。
      “我们的研究改变了土壤微生物菌群以往的点对点单兵作战模式,转向构建生态型的群体战略体系研究;
      而对于作物的劲敌——土传病原菌而言,并非要‘赶尽杀绝’,而是在土壤有益菌良性互作中,把有害菌有效制衡起来,实现绿色生态的目标。”沈其荣说。

图:韦中和研究生合影

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https://doi.org/10.1038/s41587-019-0328-3

https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw0759

https://doi.org/10.1038/ncomms9413

https://doi.org/10.1111/ele.13177

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/E43wUcT8uN7gavf5dpeSow


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