12月2日，来自南京农业大学“微生态与根际健康实验室”在 Nature Biotechnology 发表的最新成果 Phage combination therapies for bacterial wilt disease in tomato ：利用复合噬菌体疗法防治番茄青枯病。 尽管噬菌体作为一种治疗手段很早就被提了出来，但是在应用上仍然处于比较初级的阶段。特别是在噬菌体疗法的安全性、特异性和诱导抗性等方面的讨论也一直在持续进行。在这样的背景下，能够以实验方法证实噬菌体疗法的可靠性、安全性显得尤为关键。由于这项研究使用了田间试验的设计，所以成果非常贴近实际。其主要结论之一，使用噬菌体治疗后，可以帮助根际菌群的结构向好，对于我们在肠道或者人类健康领域使用符合噬菌体疗法提供了十分积极的生态学观点指引。 消息传来，热心肠研究院第一时间联系采访了论文第一作者“90后”副教授王孝芳和通讯作者之一“85后”教授韦中两位老师，请他们讲讲如何把噬菌体疗法落到中国大地的精彩故事。
以下是采访内容：
答：随着集约化农业的不合理发展，化肥农药的持续过量投入以及经济作物的单一连作，导致土壤微生物群落结构严重失衡，生态功能急剧削弱。近年来，土壤养分周转不畅、污染物难以消解、土传病害频发就是土壤微生态失衡、土壤健康水平下降的重要证据。
“土壤不健康了，给作物供应再多养分也没有用了。” 土壤微生物与有机肥团队负责人沈其荣教授时常对我们说，这也是为什么沈教授，一个土壤肥料工作者，早在15年前把解决土传病害这一世界级难题列为团队重要研究方向之一。毕竟是发生在土壤中的事，责任推不掉。
10多年来，我们团队利用土壤有益菌开发了一些列生物有机肥和功能性育苗基质等产品，也结合了轮作、嫁接等农艺措施和手段，在防控土传病害领域取得一些重要进展。但是对于一些土传病害发生特别严重的区域，单一的绿色生态调控措施往往不稳定，农户往往选择传统化学农药和熏蒸等方法。这些方法的优点是短期内见效快，但也有比较大的生态风险：病原菌容易形成耐药性，再加上农药和熏蒸剂的靶向性不强，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，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。如果能够对症下药、“精确制导”，直接降低病原菌的数量，并且削弱土壤病原菌的竞争能力的话，那再结合生物有机肥等绿色调控措施就可以了。
我所在的微生态与根际健康实验室重点关注由病原细菌青枯菌（Ralstonia solanacearum）引起的土传青枯病。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。2014年5月，受来我校访问的Ville Petri Friman博士关于噬菌体在人体病原菌研究工作的启发，我们开始探索借助噬菌体疗法定向调控根际菌群的可能性。
噬菌体是一类专性侵染细菌的病毒，在环境中普遍存在，其数量级可达109/g土。噬菌体对宿主细菌具有高度侵染特异性，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，国内外不少学者在医学、养殖、果蔬保鲜、农业病害防控等领域做了不少尝试。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。
答：为了开展这项研究，我和孝芳他们在全国不同地区的青枯病重灾区田间分离了大量病原菌特异性的裂解性噬菌体，随后对噬菌体的来源和抑菌特性进行了鉴定。据此选择了4株短尾噬菌体组合成不同丰度的噬菌体组合，施加在温室和大田体系中，观察噬菌体的作用。
结果显示，噬菌体组合均能够显著降低青枯病的发生，多噬菌体组合优于单一噬菌体，最高防控效率可达80%。这里需要注意的是，噬菌体的田间应用还需要反复进行测试，不同气候、土壤条件和病原菌的生态型等等因素都可能影响防控效率。
之所以选择多个噬菌体组成一个“鸡尾酒”，是因为单一噬菌体抑菌的效果存在不稳定性。这可能是由于各地的致病菌本身存在一些细小的差异、噬菌体的特异性以及细菌产生了对噬菌体的抗性等原因造成的。另外，不同噬菌体杀死病原菌的途径和机制也会有所差别。因此，使用噬菌体组合，很大程度上可以提高防治的效率。
在使用上，噬菌体的投入不需要一个很大的量。噬菌体颗粒进入土壤后，可以很快地找到宿主，并大量增殖，直到把整个病原菌的群体数量降下来。由于不同噬菌体的作用机制不一样，所以多个噬菌体的组合能够侵染更多的病原菌。
答：噬菌体疗法已经很古老了，但同时也是很前沿的。由于应用环境的复杂性，说噬菌体疗法有效也不奇怪，说没有效果大家也不奇怪，难点在于能否阐明背后可能的机制。大家期待噬菌体疗法，是因为它确实能解决一些特定的难题，比如耐药菌及超级细菌等带来感染，也能缓解抗生素过量使用带来的生态风险，但同时也我们也担心噬菌体疗法是否有生态风险，比如施用的噬菌体是否会侵染土著微生物？
我们的这项研究，有三点比较重要：第一是在复杂的土壤环境中证明了噬菌体对于防治作物土传细菌性病害确实有些用；第二是用比较完整的证据揭示了它为什么能够有用；第三，这种方法对环境是绿色生态的，当然这些还需要长期论证。
第一点这里就不再多说，我想重点谈一谈第二点。我们的结果表明，噬菌体的作用机制包括两个方面，一是直接对病原菌的作用，即有针对性的靶向清除；二是在杀灭的基础上，起到调控根际微生态的作用。
能够揭示噬菌体对根际微生态的调节作用，在我看来是具有重要意义的。我们知道，噬菌体在裂解细菌的同时，细菌本身也会产生对噬菌体的耐受性。一般认为，细菌对噬菌体的诱导抗性，是可以导致噬菌体治疗手段失败的。
而我们的结果显示，尽管一部分残存的细菌对噬菌体产生了抗性，但噬菌体的存在仍然能够导致细菌的生长阻滞，从而降低了病原菌在整个微生物菌群中的竞争力，导致病原菌的侵染能力下降。这种微生态上微妙的平衡，让我们感受到了自然的和谐之美。
另外，噬菌体添加到土壤中应该会对土壤菌群产生影响。那么对土壤微生物有什么影响？会不会有生态风险？会不会破坏土壤中本来的微生物区系？
答案是噬菌体不会破坏土壤的微生物区系，反之，噬菌体还修复了被病原菌破坏的土壤微生物生态系统，体现在增加了的土壤菌群多样性，特别是增加了群落中抑菌能力强的一类物种的丰度，这可能进一步提高了群落的抑病能力。
从微生态的角度来看，在病害严重的土壤中，实际上是病原菌大量增殖挤占了其它微生物的生态位，导致整个微生物群落结构处于不健康的失衡状态。而噬菌体的加入杀死了过量的病原菌，从而使大量的空间和资源被释放出来，病原菌丰度下降，使得其它的微生物能够逐渐复苏，并重新占据了一些重要的生态位。
这样，噬菌体得以重塑整个根际微生态，引起菌群多样性恢复，微生物之间相互制约的关系能够被重现建立起来。这样的一个生态系统会比较稳定，能够延续下去，如果病原菌后来再次入侵会更为困难。
也就是说，噬菌体带来的这种恢复是可持续的，这应该是我对整个研究最有感触的一点。
答：应该说，这不是我们第一次做噬菌体和发表研究论文。2017年的时候，我们在Evolution上面发表了一篇文章，那是实验室第一次发表噬菌体相关的论文。虽然那是一个很小的工作，但是出发点还是比较前沿新颖的，把噬菌体和拮抗有益菌结合起来，探究两者协同抑制病原青枯菌的效果和机制。文章发表后，有专家也在Evolution杂志上进行了亮点评论。此外，在噬菌体专题研讨会上也被作为亮点介绍。（小编按：参见今天日报的第二篇短科普）
在那项研究中，我们发现噬菌体的优点在于高效的裂解，低剂量的接种就很有效，可以实现对病原菌动态的阻控。不过，刚刚提过，噬菌体在裂解细菌的时候也会很快诱导细菌的抗性产生。但是，即便细菌通过突变等途径成功的避免了噬菌体的杀灭作用，仍然要面对有益微生物的拮抗作用。噬菌体对它没用了，但是有益微生物对病原菌更加有用了。所以，结果就是噬菌体和生防菌能够联合起来抑制病原菌，协同作用更稳定。
尽管第一个工作在理论和实践意义上还都不错，但是我们实验室来说，算是吃了定心丸：我们可以放心开展噬菌体研究了。
至于为什么第二篇噬菌体的工作就发表在Nature Biotechnology上面，一方面是幸运，第一次尝试就成功了，应该是走运了。当然还是和我们团队工作积累有很大的关系。这里不再展开，主要有几点：1）我们团队在根际菌群调控开展了系统研究，科学问题找的比较准；2）研究思路和方案都比较清晰，技术手段成熟；3）王孝芳博士生特别努力，实验室研究生之间的紧密配合；4）良好的国际合作，英国约克大学Ville-Petri Friman博士是项目的英方合作者，我们之间已经进行了长达5年的合作，合作基础非常好。今年我们还一起获得了英国皇家科学院先导项目。此外，Alexandre Jousset博士也给了非常棒的意见。
答：的确是这样的。虽然盆栽试验在2017年夏季完成，但基于盆栽土壤，我们还开展了很多室内研究，如分离进化（实验结束后）的病原菌，检测这些菌株的特性；从土壤中分离可培养细菌，检验噬菌体对它们的侵染能力；室内验证噬菌体组合对土壤微生物群落的影响；土壤微生物多样性测序等等。在获得所有数据后，数据分析、整理文章、架构故事也历经了很长的时间。
此外，在噬菌体组合工作之前，我们还有一个田间调查的工作，重点探究田间土壤噬菌体种群与土传青枯病发生之间的关系，后续大量的验证工作也花费很多时间。2018年5月，孝芳去约克大学访问了半年的时间，期间也一直在进行那一篇论文的工作。但最后还因为一个基因组小数据没有分析好，所以就把NBT论文相关工作排在前面优先处理了。
此次发表在NBT上面的研究，准确的说应该是从2018年11月开始撰写论文的。中间我们花费了一些时间来补充实验数据和完善一些验证实验。包括检测噬菌体对其它微生物侵染的能力，验证噬菌体发挥作用时的特异性，以及检测噬菌体的使用对土壤微生物区系的影响，阐明对根际菌群的间接的调控作用等。总的来说，这篇论文的发表过程还是比较顺利的。所以说，也是很幸运。
答：产业化这块其实是我们整个研究团队一直在思考的问题。我们团队开展科学研究的初心就在于此，就是希望能够解决农业生产中的实际问题，所以团队在农业固体废弃物资源化和高附加值化、土壤微生物调控与土传病害防控等方面取得很大的成绩。不过，作为一个年轻的科研工作者，我们还是要静下心来继续深入开展基础理论研究，同时针对生产问题探究技术应用的前景，不断完善理论和技术体系。
当然，为了让研究工作接地气，我们每年也和研究生一起去田间开展研究，一方面让研究生直面生产难题，激发科研的内生动力，另一方面就是把田间的复杂环境简化为实验室的各种试验因素，设置更严谨科学的试验方案。
噬菌体产业前景还是非常好的，如果有诚意的企业愿意一起开展应用研究，我们也是非常欢迎的。产业化还是靠企业，我们提供基础支撑就行。培养好更多优秀人才是我们老师的基本任务，不管是科研和技术人才，这样才能真正的能够在国民经济主战场做出我们的一份贡献。
至于第二个问题，除了噬菌体我们团队还有生物有机肥、全元生物有机肥、土壤绿色熏蒸等技术和产品，在实际生产中还是非常有用的。
例如，对于一些病害严重的大棚，很适合开展土壤熏蒸+全元生物有机肥共同使用的方法来改善。这个方案本质上有点类似肠道中的粪菌移植，先把肠道中的原有的以有害细菌为主体的菌群消灭掉，然后再用健康的菌群去取代它。生物有机肥中不仅包括有益微生物，还包括一些能够改良土壤微生态环境的辅料，帮助有益菌定植，重建一个健康的根际菌群。
相关技术也都先后获得国家科技发明二等奖、国家科技进步二等奖、中国专利金奖、神农中华农业科技一等奖、教育部科技一等奖等。
答：谢谢，我自己就不做过多介绍了。如果有读者对根际微生态研究有兴趣，欢迎关注我们实验室的微信公众号，我们每周在上面分享组内成员的优秀读书报告和最新的实验室文章，现在基本上每周发两篇。
虽然我是做根际菌群研究的，但自己已经是《热心肠日报》的老读者了，“肠·道”演讲的相关视频我也学习的比较多。肠道菌群和根际菌群的研究在生态学上是统一的，可以相互借鉴，相互学习，共同进步。
此外，我们实验室常年招收研究生、博士后，欢迎感兴趣的同学来撩。
编者注：韦中，安徽临泉人，1985年生人，2012年5月毕业于南京农业大学后留校工作至今，历任讲师（2012）、副教授（2016），教授（2019）。韦中博士是国家自然科学基金优秀青年基金获得者（2019），中国科协托举人才（2015），江苏省优秀青年基金获得者（2017）、优秀青年骨干教师（2016），南京农业大学钟山学术新秀（2015）等。近年来，南京农业大学微生态与根际健康实验室依托农业资源与环境国家双一流学科，在973项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划和江苏省自然科学基金等项目资助下，围绕根际微生态与土传病害防控这一重大问题，在揭示抑病型土壤微生物区系形成机制、菌群互作机制与益生菌群构建和抑病型土壤微生物群落调控等方面取得重要突破。相关工作在Nature Biotechnology, Nature Communications, Science Advances, Ecology Letters, Trends in Plant Sciences, mBio, Environmental Microbiology 和Soil Biology and Biochemistry 等国际著名期刊发表。
查看韦中教授近期发表的4篇高水平论文的《热心肠日报》短科普。
（采访完）
