土壤生病了怎么治？給它來(lái)一針“疫苗” 怎么樣？南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院沈其榮教授團(tuán)隊(duì)揭開(kāi)了地下菌群部落的秘密。他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)自然界存在的“疫苗”——噬菌體，它不僅是一個(gè)專職獵殺病原菌的狙擊手，能降低病原菌生存競(jìng)爭(zhēng)能力，同時(shí)還能夠重新調(diào)整土壤菌群的結(jié)構(gòu)，恢復(fù)群落多樣性，增加群落中有益菌的數(shù)量，達(dá)到菌落平衡，讓土壤康復(fù)。

12月初，沈其榮教授帶領(lǐng)的土壤微生物與有機(jī)肥團(tuán)隊(duì)在利用噬菌體定向調(diào)控土壤菌群-防控土傳青枯病領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成果以《噬菌體“雞尾酒”防控番茄青枯病》為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然生物技術(shù)》上。

隨著集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥農(nóng)藥的持續(xù)過(guò)量使用，作物的單一連作，導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，生態(tài)功能急劇削弱。

土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)不暢、污染難以消解、土傳病害頻發(fā)就是土壤微生態(tài)失衡的重要證據(jù)，這些也是農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領(lǐng)域亟待解決的難題。

“土壤不健康了，給作物供應(yīng)再多養(yǎng)分也沒(méi)有用。為維持和提升土壤健康，作為土壤肥料工作者，我們團(tuán)隊(duì)早在15年前把解決土傳病害這一國(guó)家重大需求列為重要研究方向，力爭(zhēng)解決這一難題。”沈其榮告訴中國(guó)青年報(bào)·中國(guó)青年網(wǎng)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(zhèn)的一塊番茄田，他驚訝地發(fā)現(xiàn)，很多番茄就像蒸過(guò)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(dǎo)師徐陽(yáng)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(dá)10多年。

青枯菌在土壤中存活時(shí)間長(zhǎng)，能夠侵染番茄、茄子、辣椒、煙草、生姜、花生等400多種植物，常導(dǎo)致作物減產(chǎn)，甚至絕收。

“傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥和熏蒸等方法短期內(nèi)見(jiàn)效快，但病原菌容易形成耐藥性。”韋中介紹，再加上農(nóng)藥和熏蒸劑靶向性不強(qiáng)，在殺滅病原菌的同時(shí)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(tài)功能，很可能導(dǎo)致病原菌二次侵染時(shí)造成更大危害。

傳統(tǒng)化療方法進(jìn)入了死胡同。能否找到既能精準(zhǔn)獵殺土壤病原菌，又不破壞土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的好辦法呢？這是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展急需的土傳病害防控技術(shù)“精準(zhǔn)治療+生態(tài)友好”。

2014年5月，來(lái)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)訪問(wèn)的芬蘭人Ville Petri Friman博士提起他們醫(yī)學(xué)研究工作使用噬菌體療法。在這個(gè)啟發(fā)下，韋中和南農(nóng)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(jù)了解，噬菌體是一類專門侵染細(xì)菌的病毒，在環(huán)境中普遍存在，在土壤、糞便中大量存在。噬菌體對(duì)細(xì)菌具有高度侵染性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定病原菌的精準(zhǔn)裂解，并且能夠動(dòng)態(tài)壓制病原菌數(shù)量。

目前，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者利用噬菌體在醫(yī)學(xué)、養(yǎng)殖、果蔬保鮮、農(nóng)業(yè)病害防控等領(lǐng)域做了不少嘗試。

但土壤環(huán)境復(fù)雜，噬菌體療法在土傳細(xì)菌性病害防控中的效果還不穩(wěn)定。最重要是的，噬菌體在土壤中抑制土傳病原菌的作用機(jī)制還沒(méi)有闡明清楚。

為解決這些問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室首先從廣西、江蘇、浙江和江西不同地區(qū)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(jù)噬菌體的來(lái)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(shuō)。

通過(guò)溫室和大田研究，研究人員發(fā)現(xiàn)噬菌體組合能夠顯著降低青枯病的發(fā)生。噬菌體組合處理使得根際病原青枯菌數(shù)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(lái)，但它們的生長(zhǎng)顯著減緩，這說(shuō)明它們與土壤中其他微生物競(jìng)爭(zhēng)的能力減弱，再次侵染作物根系的能力會(huì)下降。因此，噬菌體組合獵殺并致弱病原菌是其在根際發(fā)揮作用的一個(gè)重要機(jī)制。

童年生長(zhǎng)環(huán)境決定成年健康

青枯菌是經(jīng)過(guò)土壤傳播的病害，土壤菌群是個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，怎樣才能真正控制土攘傳播病害發(fā)生？

韋中用的是不同于以往的生態(tài)系統(tǒng)的思維，他借用了《孫子兵法》做比，“天時(shí)、地利、人和，三者不得，雖勝有殃。”

“天時(shí)”，就是氣候條件和施用時(shí)間；“地利”，就是土壤條件。然而，一方面，農(nóng)戶種植作物的時(shí)期，恰恰是病原菌適宜的生長(zhǎng)環(huán)境；另一方面，長(zhǎng)期以來(lái)的化肥農(nóng)藥過(guò)量使用、單一連作的耕作方式，土壤生態(tài)環(huán)境健康狀況急劇下降。

沒(méi)有天時(shí)和地利，能否構(gòu)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(gè)區(qū)域是土壤病原菌入侵根系的必經(jīng)之路。根際區(qū)域內(nèi)菌群構(gòu)成豐富，且而菌群互作復(fù)雜，因此根際菌群必然在土傳病原菌到達(dá)作物根表之前發(fā)揮著重要作用。

韋中解釋，“也就是說(shuō)，在病原菌進(jìn)攻植物根系之前，必然要經(jīng)過(guò)根際菌群大本營(yíng)，這個(gè)陣營(yíng)中都有哪些微生物？它們?cè)诟墒裁矗克鼈兪窃趺垂ぷ鞯模恐挥袑⑦@些研究出來(lái)，才知道如何把根際菌群向‘人和’方向調(diào)控。”

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為作物植物發(fā)病跟土壤中病原菌的數(shù)量、土壤理化特性等因素密切相關(guān)。然而，他們的研究發(fā)現(xiàn)，移栽到大田的作物是否發(fā)病主要取決于作物苗期根部土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，這一突破性的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在國(guó)際著名期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

“通俗點(diǎn)講，也可以理解為‘童年’生長(zhǎng)環(huán)境決定著作物‘成年’健康。”沈其榮表示，這一發(fā)現(xiàn)不僅指出了根際菌群對(duì)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(fā)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(guò)怎樣的相互作用來(lái)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(jiàn)的微生物群落竟然和地上的人類社會(huì)一樣，有著紛繁復(fù)雜的群落互作關(guān)系。

今年9月，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》的研究也發(fā)現(xiàn)，在田間條件下苗期土壤細(xì)菌群落可能通過(guò)產(chǎn)生抑菌物質(zhì)形成競(jìng)爭(zhēng)互作型群落，有效抑制了作物生長(zhǎng)中后期的病原菌入侵，保障作物一生健康。但這一推論沒(méi)有被證實(shí)。

到底什么樣的群落成員互作關(guān)系能抑制病原菌的入侵呢？這是一個(gè)難題，必須要把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

2015級(jí)直博生李梅剛?cè)雽W(xué)，就在韋中博士的引導(dǎo)下開(kāi)始挑戰(zhàn)這個(gè)有趣的科學(xué)問(wèn)題。他們以6種根際土著細(xì)菌為材料，組建簡(jiǎn)單的合成菌群，首先探究了群落成員兩兩互作關(guān)系，隨后建立了復(fù)雜群落互作關(guān)系與抵御病原菌入侵能力的預(yù)測(cè)模型。

研究發(fā)現(xiàn)，便利型土著微生物群落促進(jìn)了病原菌的入侵，而對(duì)抗型土著微生物群落則抑制了病原菌的入侵，這一成果發(fā)表于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《生態(tài)學(xué)通訊》。韋中向記者解釋，土著微生物之間通過(guò)產(chǎn)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(jī)會(huì)，而相互制衡的群落通過(guò)充分消耗環(huán)境中資源或著分泌大量抑菌物質(zhì)有效制約了機(jī)會(huì)主義者，也就能在一定程度上抑制病原菌的入侵。

實(shí)驗(yàn)室研究和田間發(fā)現(xiàn)似乎都在說(shuō)明根際免疫形成的核心是根際微生物之間形成了制約關(guān)系。噬菌體雞尾酒在獵殺大量病原青枯菌時(shí)，對(duì)宿主相關(guān)微生物群落產(chǎn)生了什么影響？是否也激發(fā)了根際免疫？進(jìn)而保障了作物健康？

這是噬菌體療法領(lǐng)域必須回答的問(wèn)題，既涉及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，也涉及噬菌體療法的作用機(jī)制。

“我們發(fā)現(xiàn)噬菌體組合顯著改變了根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，細(xì)菌群落多樣性隨噬菌體組合多樣性的增加而增加，說(shuō)明這種影響是積極的。”王孝芳博士說(shuō)。

細(xì)菌群落為什么發(fā)生了這么大的改變，是不是噬菌體也能侵染土壤中其他細(xì)菌？答案是否定的，從土壤中分離了400株細(xì)菌，青枯菌噬菌體都不能侵染，這說(shuō)明了噬菌體的侵染特異性很強(qiáng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，噬菌體可以修復(fù)被青枯菌破壞的微生物群落多樣性，可以恢復(fù)提升到原有水平。

深入分析發(fā)現(xiàn)并不是所有的土壤微生物都有機(jī)會(huì)重新獲得被噬菌體釋放出的空間和資源，細(xì)菌群落中那些競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)（如產(chǎn)抑菌物質(zhì)能力強(qiáng)）的一類物種似乎在群落結(jié)構(gòu)調(diào)整中獲得了優(yōu)勢(shì)，它們的豐度顯著增加，可能進(jìn)一步提高了群落的抑病能力。這些競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的微生物群體形成了相互制衡的環(huán)境，進(jìn)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(fā)現(xiàn)表明噬菌體不僅可以“專性獵殺”和“精準(zhǔn)靶向”病原菌，降低其生存競(jìng)爭(zhēng)能力，同時(shí)還能夠重新調(diào)整根際土壤菌群的結(jié)構(gòu)，恢復(fù)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(dāng)于，不僅找到了精確制導(dǎo)病原菌的“洲際導(dǎo)彈”，同時(shí)還觸發(fā)了根際免疫，讓打垮的根際菌群又組建了一支“鋼鐵部隊(duì)”！這將為應(yīng)用推廣噬菌體療法作為精準(zhǔn)靶控、生態(tài)安全的土傳病害防治措施提供重要的理論依據(jù)。(記者 李潤(rùn)文 通訊員 許天穎)