【LorMe周刊】噬菌体疗法之土壤篇
作者：王孝芳，南京农业大学博士在读。主要研究土壤噬菌体与根际健康。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍土壤环境中噬菌体疗法的现状及对土壤的影响。
导读
土壤中病原菌污染严重威胁了公共健康和环境安全，亟需有效灭活病原菌、降低环境风险的方法。细菌病毒--噬菌体在不同生境系统中能够特异靶向、高效灭活病原菌。最近Ye等人发表在Environment International (IF= 7.30) 上的综述总结了土壤环境中噬菌体疗法的现状及对土壤的影响。
噬菌体是能够感染细菌和古细菌的病毒，由蛋白质外壳和遗传物质组成。噬菌体是生物圈中最丰富的实体之一，数量达到1031，普遍分布在有宿主细菌存在的环境中，包括土壤、水、空气以及人和动物的肠道中。根据形态学，噬菌体可分为Siphoviridae（长尾）、Podoviridae（短尾）、Myoviridae（肌尾）和丝状噬菌体（图1）。噬菌体也可以根据其DNA是否整合到细菌基因组中分为裂解性噬菌体和温和性噬菌体（图2）。
图1 噬菌体的常见结构
图2 噬菌体的裂解和溶原循环
在过去十年中，由于全球抗生素的耐药性问题，土壤已成为ARB（耐药菌）和ARGs（耐药基因）重要的源和库。此外，大量释放到土壤中的抗生素类污染物加速了细菌之间ARGs的传播，因此提高了从致病菌中获得ARGs的概率，增加了沿土壤-植物-动物-人类食物链传播ARG的环境风险。与抗生素相比，噬菌体疗法不是攻击整个细菌群体，而是特异性靶向宿主细菌，不会影响非宿主细菌。此外，噬菌体丰度与宿主细菌的比例成正比，当宿主细菌减少时，噬菌体数量也会减少，从而维持微生物群落的稳定性和多样性。
自20世纪40年代以来，噬菌体治疗研究主要集中在控制农业和渔业领域的细菌感染。将噬菌体应用于植物病害的防治（图3），如利用噬菌体防治番茄和烟草的青枯菌、苹果的欧文氏菌、水稻的黄单胞菌等。针对土壤中可能存在多种类型的ARPB（耐性性病原细菌），作者提出可以利用多价噬菌体（感染和裂解多种宿主细菌）进行病害的防治，提高病原菌的灭活效率。
图3 噬菌体疗法应用到土壤植物病原菌的灭活
对土壤功能的影响 噬菌体感染能够影响宿主细菌丰度、微生物群落相互作用、营养元素循环和功能基因增殖。噬菌体在土壤中活跃，并对宿主细菌群落的变化做出快速反应。因此，噬菌体可能对土壤微生物群落产生自上而下的影响，并进一步影响土壤中驱动的养分循环。据估计，大约10-15％的细菌死亡是由水生环境中的噬菌体溶解引起的，并且释放的细胞内溶物被微生物同化用于细胞生长和繁殖。因此，噬菌体丰度的增加通常会刺激环境中的细菌生长速率。裂解性噬菌体因裂解宿主细菌更大程度影响环境微生物多样性；而温和噬菌体通过整合到宿主细菌的染色体而影响细菌的功能，改变次生代谢和宿主的适应性。当宿主细菌参与环境中营养元素（C、N、P和S）的循环时，噬菌体捕食可以调控细菌的功能和代谢，进一步影响养分周转、病害防治、作物产量、温室气体排放等（图4）。
图4 噬菌体疗法对土壤功能的影响
对土壤ARGs的影响 三种ARGs传递的方式-结合、转化和转导中，转导过程由噬菌体介导。噬菌体疗法应用到土壤中时，人们越来越关注噬菌体对土壤中ARGs的传递作用。作者的实验室从土壤和污泥中分离噬菌体和细菌，并在噬菌体与细菌中发现相同的ARGs。同时，噬菌体携带的tet基因水平与细菌携带的tet基因的丰度呈正相关，表明噬菌体DNA是ARGs的重要宿主，促进ARGs增殖。考虑到土壤中高丰度的噬菌体，其作为促进土壤中ARGs增殖载体的作用不容忽视。但也有研究表明土壤环境中转导频率低，噬菌体疗法对ARGs传播的影响有限；噬菌体接种后土壤中ARB和ARGs的丰度均下降，表明宿主细菌裂解后释放的ARGs会进一步降解。因此，噬菌体疗法对ARGs转移产生正面或负面影响取决于环境参数，包括土壤理化性质、土著微生物群落和气候因素等。
抗生素耐药性的出现，更加凸显噬菌体疗法的潜力。但土壤环境中噬菌体疗法的应用还处于起始阶段，包括但不限于：
（1）噬菌体资源库利用高通量技术获得丰富的噬菌体资源，从而降低开发成本和时间，从而最大限度地提高土壤中噬菌体疗法的效益；
（2）噬菌体生物多样性研究土壤中噬菌体群落的生物多样性，以阐明噬菌体疗法对土壤微生物群落和养分循环的结构、组成和功能的影响；
（3）土壤动物系统中的噬菌体疗法探索噬菌体与土壤动物（如线虫、蚯蚓）之间的互作；
（4）功能基因探究噬菌体介导的基因转移，如抗生素抗性基因、营养循环基因和污染物降解基因等。
（5）生态风险评估建立风险评估模型和方法，评估噬菌体疗法对生态安全和公共健康的环境风险，建立环境监管体系，监测土壤中噬菌体治疗的安全使用，提高公众的科学意识。
文章：A review of bacteriophage therapy for pathogenic bacteriainactivation in
thesoil environment
杂志：Environment International
DOI:https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.05.062
关键词：噬菌体疗法；病原菌；靶标失活；土壤