噬菌体在农业中的应用—农作物细菌性枯萎病防治

农业是人类生存的基本，因此作为科学研究的重点领域，其中农作物的保护更是农业发展的重要保证。近年来农作物保护研究在不断深入，而细菌性枯萎病对农作物的威胁持续被关注。细菌性枯萎病是由细菌引起的造成植物机体被破坏从而发生枯萎的植物疾病，这会引起农业减产，威胁人类生存。为了解决这一问题，科研人员不断提出新的尝试，包括化学合成品、天然抗菌以及生物防治等技术。但是由于环保等问题的出现，不得不提供一种对环境低伤害的防治手段。噬菌体（bacteriophage）是一类细菌病毒，由于其极佳的宿主特异性而在细菌性病原体防治方面引起了广泛的关注。

土壤传播的病原菌 Ralstonia solanacearum 对全球农业生产力和粮食安全构成严重威胁，这归因于其强大的毒力和广泛的宿主范围，其中包括分布在 50 个植物科的 200 多种植物物种。据报道，细菌性枯萎病导致烟草、西红柿 35-90% 和辣椒高达 100% 的全球产量损失。通过探索新的噬菌体，为防治该疾病提供支持，同时通过结合靶向药物以提高治疗效果和降低防治措施所带来的环境伤害。来自华中农业大学的刘怀等人在Journal of Agricultural and Food Chemistry上发表了题为Exploration of Phage−Agrochemical Interaction Based on a NovelPotent Phage LPRS20-Targeting Ralstonia solanacearum的论文，该论文以从烟草中分离的R. solancacearum菌株LRS6作为模式病原体，从中国广东省的田间采集的土壤样品分离噬菌体，通过实验确定选择噬菌体LPRS20为实验噬菌体。

1.LPRS20 对土壤中青枯菌的生物防治活性

使用该噬菌体结果表明，LPRS20 对烟草、辣椒和番茄等不同寄主植物的青枯菌具有很强的抵抗能力，且对植物环境中的益生菌没有裂解作用。

图 1.分离的噬菌体 LPRS20 对 R. solanacearum 的抑制曲线。

2.噬菌体 LPRS20 表现出高繁殖活性，具有较大的爆发大小，并且对较宽的 pH、UV 和温度范围具有耐受性

通过一步生长曲线、pH耐受、温度以及紫外耐受实验，结果都表明噬菌体 LPRS20 表现出高繁殖活性，具有较大的爆发，并且对较宽的 pH、UV 和温度范围具有耐受性。

3. 裂解噬菌体 LPRS20 构成一种名为两栖病毒的新成员

根据全基因组分析结果认为该噬菌体是两栖病毒属的新成员

图 2.基于 （A） 主要衣壳蛋白和 （B） 末端酶大亚基的蛋白质序列，对密切相关的噬菌体和噬菌体 LPRS20 进行系统发育分析。

4.噬菌体 LPRS20 对青枯菌的体内和体外生物防治活性

为评价 LPRS20 在土壤中的生物防治活性，对土壤中的 R. solanacearum 进行了杀菌试验。孵育 4 小时后，噬菌体 LPRS20 的应用显著降低 （p < 0.05） 青枯菌 LRS6 的活菌计数 _{1.30 ± 0.51 log10CFU/g} 与对照相比，以及 _{0.81 ± 0.32 log10}与小檗碱治疗相比，CFU/g。噬菌体 LPRS20 处理导致青枯菌活菌计数显着减少 （p < 0.0001） _{2.64 ± 0.74 log10}孵育 24 小时后，与对照相比，CFU/g 为 _{1.62 ± 0.82 log10}与小檗碱处理相比 CFU/g。

图 3.土壤和烟草中噬菌体 LPRS20 的生物防治测定。

5.噬菌体和农用化学品的体外联合作用

噬菌体 LPRS20 对农用化学品的耐受性有助于初步了解农用化学品对噬菌体的影响。因此，在与 6 种浓度的硫二唑铜或小檗碱孵育 60 分钟后检查噬菌体滴度。结果表明，噬菌体 LPRS20 相对稳定，在任何浓度的硫二唑铜或小檗碱下均未观察到明显的滴度损失（图 4A、B）。这表明 LPRS20 的活性不受硫二唑铜和小檗碱的影响。为了进一步研究噬菌体和农用化学品对青枯菌的联合作用，在体外测定了噬菌体加硫代二唑-铜或小檗碱组合处理的青枯菌种群水平。总体而言，不同浓度噬菌体和农用化学品的不同组合处理发现 16 μg/mL 的硫二唑铜浓度和 8 μg/mL 的小檗碱浓度，以实现几乎完全的杀灭。

6.农用化学品的类型、递送方法和浓度决定了与噬菌体相互作用的模式

根据从热图中观察到的几乎完全杀灭的结果，选择了三种浓度组合的 LPRS20 加农用化学品来确定土壤中青枯菌的杀灭作用，以阐明噬菌体与农用化学品之间的相互作用。结果表明农用化学品的类型、递送方法和浓度决定了与噬菌体相互作用的模式。结果还表明噬菌体和硫二唑-铜的相互作用与噬菌体和小檗碱之间的相互作用不同。

图 4.分离的噬菌体 LPRS20 和硫二唑铜或小檗碱的联合作用。

7. 噬菌体 LPRS20 对烟草的危害可以忽略不计

噬菌体被认为是控制病原体的安全剂，而传统的农用化学品可能对植物有毒。因此，在用 LPRS20、硫二唑铜和小檗碱连续处理后，通过感官评价评估烟草叶片中的植物毒性症状，以探讨噬菌体和农用化学品对植物影响的差异。总体而言，烟叶对噬菌体处理的反应症状表明，噬菌体不会伤害烟草，这与硫二唑、铜和小檗碱的作用形成鲜明对比。

图 5.72 小时后，分别用三种浓度的噬菌体 LPRS20、硫代二唑铜和小檗碱处理植物同一部分的烟叶。

总结：

该研究表明噬菌体对缓解农业生产中植物细菌性枯萎病有巨大的潜力，联合药物将减少农药对环境的危害以及治疗的准确性。这种方法应该被广泛推广与其他由细菌介导的植物疾病治疗工作当中。总而言之，噬菌体在农业生产当中扮演着重要的角色，我们要利用好这些资源，更好地服务与实际生产当中。

参考文献：Huai Liu, Wenjie Gu, Yusheng Lu, Lili Ding, Yating Guo, Geng Zou, Weiqing Wu, Diyuan Zheng, Chong Liu, Chenyang Wang, Yangrong Cao, and Jinquan LiJournal of Agricultural and Food Chemistry Article ASAP DOI: 10.1021/acs.jafc.4c03799.