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【中国青年报】来,给生病的土壤来一针“疫苗”

2019-12-28来源:新闻网作者:党委宣传部

噬菌体精准调控病原菌-根际菌群互作图。南京农业大学供图

土壤生病了怎么治?给它来一针“疫苗” 怎么样?南京农业大学资源与环境科学学院沈其荣教授团队揭开了地下菌群部落的秘密。他们发现这个自然界存在的“疫苗”——噬菌体,它不仅是一个专职猎杀病原菌的狙击手,能降低病原菌生存竞争能力,同时还能够重新调整土壤菌群的结构,恢复群落多样性,增加群落中有益菌的数量,达到菌落平衡,让土壤康复。

12月初,沈其荣教授带领的土壤微生物与有机肥团队在利用噬菌体定向调控土壤菌群-防控土传青枯病领域取得重要进展,成果以《噬菌体“鸡尾酒”防控番茄青枯病》为题发表在国际顶级学术期刊《自然生物技术》上。

随着集约化农业的发展,化肥农药的持续过量使用,作物的单一连作,导致土壤微生物群落结构严重失衡,生态功能急剧削弱。

土壤养分周转不畅、污染难以消解、土传病害频发就是土壤微生态失衡的重要证据,这些也是农业资源与环境领域亟待解决的难题。

“土壤不健康了,给作物供应再多养分也没有用。为维持和提升土壤健康,作为土壤肥料工作者,我们团队早在15年前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。”沈其荣告诉中国青年报·中国青年网记者。

找到抗病“疫苗”——噬菌体

2007年10月,韦中刚攻读研究生。在南京麒麟镇的一块番茄田,他惊讶地发现,很多番茄就像蒸过桑拿似地耷拉着。有些植株上午看着还挺健壮,到了中午就“病蔫蔫儿”的,有些茎秆里就像“流脓”一样。

导师徐阳春教授告诉韦中,这是染上了土传青枯病,致病菌是青枯菌,在土壤中能存活可达10多年。

青枯菌在土壤中存活时间长,能够侵染番茄、茄子、辣椒、烟草、生姜、花生等400多种植物,常导致作物减产,甚至绝收。

“传统化学农药和熏蒸等方法短期内见效快,但病原菌容易形成耐药性。”韦中介绍,再加上农药和熏蒸剂靶向性不强,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,很可能导致病原菌二次侵染时造成更大危害。

传统化疗方法进入了死胡同。能否找到既能精准猎杀土壤病原菌,又不破坏土壤微生物群落结构和生态功能的好办法呢?这是可持续农业发展急需的土传病害防控技术“精准治疗+生态友好”。

2014年5月,来南京农业大学访问的芬兰人Ville Petri Friman博士提起他们医学研究工作使用噬菌体疗法。在这个启发下,韦中和南农大博士王孝芳把目光聚焦到“噬菌体”这一特殊土壤微生物上。

据了解,噬菌体是一类专门侵染细菌的病毒,在环境中普遍存在,在土壤、粪便中大量存在。噬菌体对细菌具有高度侵染性,可以实现对特定病原菌的精准裂解,并且能够动态压制病原菌数量。

目前,国内外不少学者利用噬菌体在医学、养殖、果蔬保鲜、农业病害防控等领域做了不少尝试。

但土壤环境复杂,噬菌体疗法在土传细菌性病害防控中的效果还不稳定。最重要是的,噬菌体在土壤中抑制土传病原菌的作用机制还没有阐明清楚。

为解决这些问题,实验室首先从广西、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。

“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,组合成不同含量的噬菌体组合,以提高噬菌体疗法的效果。”韦中解释说。

通过温室和大田研究,研究人员发现噬菌体组合能够显著降低青枯病的发生。噬菌体组合处理使得根际病原青枯菌数量显著降低,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他微生物竞争的能力减弱,再次侵染作物根系的能力会下降。因此,噬菌体组合猎杀并致弱病原菌是其在根际发挥作用的一个重要机制。

童年生长环境决定成年健康

青枯菌是经过土壤传播的病害,土壤菌群是个复杂的生态系统,怎样才能真正控制土攘传播病害发生?

韦中用的是不同于以往的生态系统的思维,他借用了《孙子兵法》做比,“天时、地利、人和,三者不得,虽胜有殃。”

“天时”,就是气候条件和施用时间;“地利”,就是土壤条件。然而,一方面,农户种植作物的时期,恰恰是病原菌适宜的生长环境;另一方面,长期以来的化肥农药过量使用、单一连作的耕作方式,土壤生态环境健康状况急剧下降。

没有天时和地利,能否构建人和?韦中把研究聚焦在“根际”,根际是指受根系影响的土壤微域,这个区域是土壤病原菌入侵根系的必经之路。根际区域内菌群构成丰富,且而菌群互作复杂,因此根际菌群必然在土传病原菌到达作物根表之前发挥着重要作用。

韦中解释,“也就是说,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,才知道如何把根际菌群向‘人和’方向调控。”

传统观点认为作物植物发病跟土壤中病原菌的数量、土壤理化特性等因素密切相关。然而,他们的研究发现,移栽到大田的作物是否发病主要取决于作物苗期根部土壤中微生物群落结构和功能,这一突破性的发现发表在国际著名期刊《科学进展》上。

“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。”沈其荣表示,这一发现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。

噬菌体“疫苗”能够激发根际免疫

2016年年底,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。”沈其荣解释。

根际菌群到底是通过怎样的相互作用来抑制土壤病原菌入侵的呢?有趣的是,隐藏于地表之下、肉眼看不见的微生物群落竟然和地上的人类社会一样,有着纷繁复杂的群落互作关系。

今年9月,研究团队发表在《科学进展》的研究也发现,在田间条件下苗期土壤细菌群落可能通过产生抑菌物质形成竞争互作型群落,有效抑制了作物生长中后期的病原菌入侵,保障作物一生健康。但这一推论没有被证实。

到底什么样的群落成员互作关系能抑制病原菌的入侵呢?这是一个难题,必须要把复杂问题简单化。

2015级直博生李梅刚入学,就在韦中博士的引导下开始挑战这个有趣的科学问题。他们以6种根际土著细菌为材料,组建简单的合成菌群,首先探究了群落成员两两互作关系,随后建立了复杂群落互作关系与抵御病原菌入侵能力的预测模型。

研究发现,便利型土著微生物群落促进了病原菌的入侵,而对抗型土著微生物群落则抑制了病原菌的入侵,这一成果发表于生态学领域顶级期刊《生态学通讯》。韦中向记者解释,土著微生物之间通过产生大量公共物品相互提供“便利”,这也大大增加了病原菌获取“便利”的机会,而相互制衡的群落通过充分消耗环境中资源或着分泌大量抑菌物质有效制约了机会主义者,也就能在一定程度上抑制病原菌的入侵。

实验室研究和田间发现似乎都在说明根际免疫形成的核心是根际微生物之间形成了制约关系。噬菌体鸡尾酒在猎杀大量病原青枯菌时,对宿主相关微生物群落产生了什么影响?是否也激发了根际免疫?进而保障了作物健康?

这是噬菌体疗法领域必须回答的问题,既涉及生态风险,也涉及噬菌体疗法的作用机制。

“我们发现噬菌体组合显著改变了根际细菌群落结构,细菌群落多样性随噬菌体组合多样性的增加而增加,说明这种影响是积极的。”王孝芳博士说。

细菌群落为什么发生了这么大的改变,是不是噬菌体也能侵染土壤中其他细菌?答案是否定的,从土壤中分离了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。

研究人员发现,噬菌体可以修复被青枯菌破坏的微生物群落多样性,可以恢复提升到原有水平。

深入分析发现并不是所有的土壤微生物都有机会重新获得被噬菌体释放出的空间和资源,细菌群落中那些竞争能力强(如产抑菌物质能力强)的一类物种似乎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的抑病能力。这些竞争能力强的微生物群体形成了相互制衡的环境,进而与噬菌体一起共同抵御病原菌的再次入侵,有效维持了作物的健康。

沈其荣向记者解释,这一发现表明噬菌体不仅可以“专性猎杀”和“精准靶向”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的结构,恢复群落多样性,增加群落中相互作用相互抵消的有益菌丰度。这就相当于,不仅找到了精确制导病原菌的“洲际导弹”,同时还触发了根际免疫,让打垮的根际菌群又组建了一支“钢铁部队”!这将为应用推广噬菌体疗法作为精准靶控、生态安全的土传病害防治措施提供重要的理论依据。

原文链接:http://zqb.cyol.com/html/2019-12/16/nw.D110000zgqnb_20191216_1-08.htm

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