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土壤病毒的研究进展与应用前景

2022-11-30 免费下载

作者:韩丽丽, 曹苗苗, 毕丽, 张丽梅 贺纪正

作者单位:中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室;中国科学院大学;福建师范大学地理科学学院


  病毒是地球上数量最多的生物实体,在调控宿主群落组成、推动宿主进化及影响土壤元素的生物地球化学循环等方面起着非常重要的作用。


研究概括了环境病毒的研究历史及发展现状,揭示了病毒生态学的发展历程;分析了土壤病毒生态学常用研究方法(包括表型、基因多样性、宏基因组、生物信息学分析等),阐述了土壤病毒的多样性、病毒在土壤生态系统中的生态功能;展望了环境噬菌体的应用(噬菌体疗法)及发展前景。


亮点论述


  病毒(噬菌体)的应用

  

  噬菌体疗法并不是一项新技术,它已经在医学 领域使用了近1 个世纪,虽然这一研究在格鲁吉亚等国家得到了发展,但从未成为主流医学方向。在 20 世纪早期,许多噬菌体科学家对使用病毒抗细菌感染非常感兴趣,人们希望通过注射或向水中倾 倒噬菌体杀死病原性细菌,比如导致霍乱的细菌等。然而,1928 年亚历山大·弗莱明发现抗生素使噬菌体疗法黯然失色,因为抗生素更易使用,一 种抗生素可以在多种细菌感染中发挥作用,而噬菌 体疗法则需要找到精确的噬菌体来攻击每种感染。但是今天,由于抗生素大量使用导致超级细菌的出现使得人们不得不寻找新的方法,“噬菌体疗法”的概念重新受到了人们的关注。

  

  “噬菌体疗法”最广为流传的案例是2016 年美国加州大学圣地亚哥分 校(UCSD)的 Steffanie Strathdee 博士利用噬菌体挽救感染超级细菌—— 鲍曼不动杆菌(Acinetobacter  baumannii)的 丈夫(Tom)的事迹。Tom 也是美国历史上第一位成功接受体内输入噬菌体治疗的患者。Steffanie 和Tom 的事迹为噬菌体疗法领域打了一剂强心针,也让科学界重新审视在细菌对抗生素的抗性越来越强的情况下,噬菌体疗法的潜力。UCSD 也因此成立了美国第一家研究噬菌体疗法的中心——创新噬菌体应用和医疗中心(Innovative Phage Applications and  Therapeutics,IPATH)。2018 年,英国 15 岁女孩Isabelle Carnell 在做完肺移植手术后感染了对抗生素有耐药性的人类分枝杆菌(Mycobacterium abscessus),当时肺移植后这种分歧杆菌感染的生存机会只有 1%,因此当地医生联系了美国匹茨堡大学教授Graham  Hatfull 寻求新的疗法,Hatfull 教授最终筛选了3 种噬菌体的“鸡尾酒”进行治疗,幸运的是Isabelle 的病情得到有效控制。这是世界上第一次用噬菌体进行人类分枝杆菌感染治疗,也是第一次使用基因工程噬菌体进行治疗并取得成功的案例。

  

  虽然噬菌体疗法在医学中的案例还非常有限, 但在农业病害防治、畜禽养殖和食品加工中的应用 已经非常广泛了。2005 年,美国国家环境保护局批准了OmniLytics 公司AgriphageTM 的生产,用于治疗不同农作物的细菌性斑点病。2006 年,美国食品及药物管理局批准通过了ListShieldTM 作为即食肉类和家禽产品的食品添加剂,以控制具有特殊食 源性危害的单核细胞增多性李斯特菌。2007 年, 美国食品及药物管理局批准通过了OmniLytics 公司生产的以噬菌体为基本物的制备物,用于净化活 体动物从而远离大肠杆菌和沙门氏菌。2018 年, 美国环保署批准了OmniLytics 公司旗下的 2 款生物产品AgriPhage™-Fire  Blight 和AgriPhage™-Cit⁃ rus Canker,分别用于防治苹果、梨树和柑橘的火疫病和溃疡病。

  

  国内学者在噬菌体应用方面也开展了大量的 研究,如利用金黄色葡萄球菌噬菌体在牛奶中的抑菌应用,假单胞菌噬菌体的筛选及在冷却羊肉中的应用,噬菌体在嗜水气单胞菌、变形假单胞菌、嗜环弧菌、黄海希瓦式菌等水产养殖疾病 中的应用等。菲吉乐科(Phagelux)公司在动植物 健康和食品安全等领域也开发了多款噬菌体产品, 旨在通过噬菌体技术减少有害病原体的数量,特别 是避免了细菌对抗生素的耐药性增加以及使用农 药等危险化学品造成大量残留物积累等问题。

  

  目前噬菌体在土壤及土传病害方面应用的案例还非常有限。如利用噬菌体组合应用于土传病害青枯菌,防控番茄,烟草[95]等的青枯病;Chae 等运用噬菌体药剂控制米黄单胞菌引起的水稻白叶枯病等。但噬菌体疗法在该方向的产业化发展还非常艰难,可能是由于细菌和噬菌体之间特异性强且存在共进化关系,这使得细菌容易对噬菌体产生抗性。噬菌体“鸡尾酒”疗法可能是一种较好的解决方法,它包含了几个不同的噬菌体,即使一株细菌对其中一个噬菌体产生抗性,它也会被其他噬菌体杀死,因此我们迫切需要积极发展土壤噬菌体资源库,以推进噬菌体疗法生物技术的发展。


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  责任编辑:宫在芹
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教授,工学博士,1987、1990年毕业于西安交通大学工业电气自动化专业...

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