噬菌体引领植物保护十亿级市场变革

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报道: 细菌性病害是我国农业生产中的常发性病害, 几乎每种作物都有发生, 通常会造成作物减产20%~30%, 其数量和危害程度已超越病毒, 成为仅次于真菌的第二大病原物.
据悉, 全世界细菌性作物病害约有500多种, 我国主要的细菌性作物病害就有200多种, 约占全世界植物细菌性病害种类的1/4~1/3. 粮食作物中的水稻细菌性条斑病, 水稻白叶枯病, 果树中的柑橘溃疡病, 芒果角斑病, 火龙果和香蕉的软腐病, 瓜菜类中的马铃薯青枯病, 疮痂病, 黄瓜细菌性角斑病, 十字花科蔬菜软腐病, 姜瘟病等, 都给作物造成了严重损失.
由于细菌性病害具有流行性, 暴发性, 毁灭性等特点, 且传播方式多样, 可从植株伤口, 裂口和蔬菜叶缘水孔处等侵入, 还可借流水, 雨水, 昆虫等传播, 在病残体, 种子, 土壤中过冬, 在高温和高湿条件极易暴发.
作物青枯病(被誉为′′植物癌症′′)是世界上最具毁灭性的细菌性病害之一, 其病原为茄科雷尔氏菌复合种, 可以侵染50多科的450多种植物, 全球每年损失达到10亿美元. Xylella fastidiosa(译为木质部难养菌\皮尔斯病菌株)是一种特别危险的植物病原细菌, 能够侵染多种作物, 如葡萄, 柑橘, 杏仁, 橄榄, 桃和咖啡. 据欧洲委员会(EC)估计, 如果X. fastidiosa在整个欧盟范围内全面传播, 可能导致每年高达55亿欧元的产量损失.
当前我国细菌性病害年发生面积在1. 2亿亩左右. 据估计, 我国细菌性病害当前的市场容量超30亿元, 主要集中在橙橘柚溃疡, 蔬菜细菌性角斑, 桃树细菌性穿孔以及青枯病等土传病害的防治上.
近几年以来, 化学杀菌剂的连年使用, 使很多植物病原细菌产生了很强的耐药性, 耐药性细菌疾病的暴发通常难以控制, 同时也造成了严重的化学残留及污染, 给农业生产和人们生活带来很大影响. 噬菌体因其特异性强, 副作用少, 增殖能力强且不易产生抗性等优点在医学和食品上应用已较为广泛, 在作物中, 利用噬菌体进行细菌性病害防治在近年来才逐渐被人们重视及开发.
噬菌体的基本原理
噬菌体, 一类能够特异性感染并破坏特定细菌的病毒, 具有成为植物细菌性疾病生物防治剂的潜力. 噬菌体通过特定的受体与细菌结合, 并注入其遗传物质, 利用细菌的生物合成系统进行复制. 在复制过程中, 噬菌体会编码特定的酶, 如内溶素和裂解酶, 这些酶能够破坏细菌的细胞壁, 导致细菌裂解并释放出新的噬菌体粒子. 这一过程可以直接杀死病原体, 从而减少植物病害的发生.
噬菌体生物防治的优缺点
利用噬菌体对细菌性疾病进行生物防治, 是一种针对植物感染量身定制的方法.
与传统农药进行作物细菌性病害防治相比, 噬菌体具有以下优势:在生物界中普遍存在;较低浓度有良好疗效;易分离;噬菌体为有限自我复制的病毒, 它们只在有寄主的条件下才能生存与复制, 在寄主缺乏的情况下, 噬菌体将会很快凋亡;噬菌体对环境没有毒性, 不会对环境造成污染, 满足当代提倡的绿色无公害农业要求;噬菌体特异性强, 只针对相应的致病菌, 而不会破坏正常菌群, 而传统农药防治在杀灭致病菌的同时, 也破坏了土壤中的有益菌群, 从而导致土壤微生物失衡, 对环境造成不利影响;噬菌体的指数增殖能力是噬菌体治疗的一个显著优势, 用少量的噬菌体制剂就可以杀灭细菌, 而用传统的农药, 需要达到一个比较高的含量才能达到杀菌的目的, 此外还导致土壤农药残留较高, 污染环境;细菌不易对噬菌体产生抗性, 另一方面噬菌体也可产生适当的变异以适应宿主菌的变异, 具有突变和克服细菌耐药性的能力等, 传统细菌病害防治手段则不具备这种优势;噬菌体的研制开发所需的时间短, 成本低, 保存容易.
作为一种新兴的生物农药, 噬菌体可以作为植物细菌性疾病综合治理的一部分, 可与其他化学制剂以及生物试剂联合使用, 在未来将会有广阔的发展前景[1].
噬菌体耐药细菌的出现可能成为使用噬菌体控制细菌感染的主要限制因素之一. 然而, 一些研究人员认为, 较小频率的噬菌体抗性突变体不应阻碍噬菌体作为生物防治剂的使用. 细菌细胞表面噬菌体受体的突变是导致耐药性最常见的原因. 可利用从野生型噬菌体中获得的突变噬菌体, 恢复其对细菌的溶解活性;分离新的或修饰的噬菌体, 采用多种噬菌体的′′鸡尾酒′′混合来预防和对抗微生物耐药性. 一些研究也表明, 将噬菌体治疗与抗生素相结合, 可以避免或减少耐药性的出现机会[2]. 为了确保噬菌体混合物在环境条件下长期储存期间能够存活, 需要更优质的保护制剂[3].
噬菌体在植物保护中的应用
研究表明, 噬菌体能够有效地控制多种植物细菌性疾病. 例如, 针对番茄和辣椒的细菌性斑点病, 苹果和梨的火疫病, 以及马铃薯的软腐病等, 都有相应的噬菌体产品在实际农业生产中得到应用. 这些噬菌体产品通常以喷雾的形式直接施用在作物上, 能够有效减少病原体的数量, 降低病害的发生.
20世纪初, D′Herelle和Twort发现了噬菌体. 不久之后, 人们开始使用噬菌体来控制植物疾病的研究. 1924年, Mallman和Hemstreet在腐烂的卷心菜中分离致病菌时, 发现有抑制致病菌生长的噬菌体. Thomas田间试验对斯图尔特玉米枯萎病进行了试验, 结果表明, 通过使用针对植物病原体的噬菌体处理种子, 可以降低疾病的发病率. 然而, 由于当时对噬菌体不了解, 且数据有限, 这类研究被忽视了. 近半个世纪后, Civerolo使用噬菌体处理的方法, 将桃幼苗上的细菌斑点(黄单胞菌)的严重程度降低了86%~100%. 在接下来的几年里, 噬菌体被用于防治由黄单胞菌, 根癌土壤杆菌, 茄科雷尔氏菌, 梨水疫病菌引起的几种植物病害. 目前, 噬菌体已被研究为治疗植物致病菌的药物.
产业化进展
美国环境保护署于 2005 年首次批准了一种由野油菜黄单胞菌(Xanthomonascompestris)和丁香假单胞菌(P syringae)噬菌体配制而成的噬菌体制剂的注册申请.
近年来, 利用噬菌体控制植物病原菌的一些产品已经被开发和商业化, 用于治疗多种作物的感染, 包括菠菜, 西红柿, 辣椒, 苹果, 梨, 桃子, 樱桃, 杏仁, 核桃, 榛子等. 全球范围内的研究机构和企业都在积极探索噬菌体在植物保护中的应用. 例如, 美国OmniLytics公司开发的AgriPhage系列产品, 已经在美国获得环保署的批准, 用于防治番茄和青椒的细菌性病害. AgriPhage产品的有效成分就是噬菌体, 仅对靶标细菌起效, 对操作人, 有益种群以及环境风险极低. 此外, AgriPhage产品对已对抗生素, 铜制剂等产品产生抗性的细菌仍然有效, 可低于最大残留限量. 此外, 欧洲和亚洲的研究机构也在开展噬菌体在农业方面的研究和示范试点.
在印度, 为农业部门开发基于噬菌体的解决方案的研究也正在加大力度, 越来越多的噬菌体被分离出来并证明其对细菌性植物病原体有裂解效果. Ranjan等分离出一种针对米苔藓的噬菌体φXOF4, 该菌株能够裂解所有引起水稻叶枯病(BLB)的米苔藓菌株. 研究还观察到, 从噬菌体处理的种子中培育的幼苗BLB的发生率降低. 尽管噬菌体在控制植物病原体方面的突出功效令人欣慰, 但由于严格的法规, 基于噬菌体的生物农药尚未列入农药的注册名录. 在欧盟, 依据现行法规, 只有四分之一的活性物质和植物保护产品(PPP)被允许用于农业. 注册程序复杂而冗长, 因为该程序涉及四个主要机构:报告员成员国, 欧洲食品安全局(EFSA), 卫生和食品安全总局(DG SANTE), 还有植物, 动物, 食品和饲料常设委员会(PAFF委员会). 因此, 在欧洲, 只有两家公司注册了基于噬菌体的生物农药. Enviroinvest是一家匈牙利公司, 开发了Erwiphage
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Plus, 用于控制苹果树和梨的火疫病病害. APS Biocontrol Ltd. 是一家苏格兰公司, 开发了含有 Biolyse
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PB 的噬菌体来控制马铃薯软腐病, 即果胶杆菌感染. 然而, 迄今为止, 欧洲食品安全局尚未将噬菌体产品注册为植物保护产品或生物农药.
在美国, 环境保护署(EPA)和食品和药品监督管理局(FDA)参与了生物农药的监管框架. OmniLytics, Inc. 是第一家获得噬菌体生物防治产品注册的美国公司Omnilytics是Phagelux的一部分, 在美国的Agriphage产品线中开发了四种不同的商业产品, 这些产品已被美国环境保护署注册为生物农药, 并由Certis USA商业化. 其基于噬菌体的生物农药AgriPhage, 用于番茄和辣椒上的细菌斑点和由坎佩斯特氏菌和丁香假单胞菌引起的斑点. 此外, 最近, 该公司还开发了基于噬菌体的新型生物农药, 用于控制番茄细菌性溃疡病, 苹果和梨的火枯病以及柑橘溃疡病.
在日本, XylPhi-PD是大冢制药公司开发的另一种基于噬菌体的生物农药, 用于控制Xylella fastidiosa(叶缘焦枯菌)[4, 5].
面临的挑战
尽管噬菌体疗法在植物保护中显示出巨大潜力, 但在实际应用中仍面临一些挑战. 首先, 噬菌体的稳定性和持久性需要进一步提高, 以适应多变的自然环境. 其次, 噬菌体的宿主范围需要明确, 以避免对非目标细菌产生影响. 此外, 噬菌体的注册和监管也是推广应用的关键因素.
噬菌体生物防治方法的一个问题是噬菌体混合物需要不断更新, 以裂解尽可能多的新出现的目标菌株. 这使得噬菌体混合物能够在特定的情况下适应相关的致病菌株, 并避免噬菌体耐药性的发生. 然而, 此前欧盟法规(1107/2009EC)要求对噬菌体混合物成分的任何改变都需要重新注册, 耗时, 也需要大量资金, 使得美国的方法在欧盟不可行. 很多国家在允许生物防治剂控制细菌性植物病害的立法方面存在差距和延误, 这个问题是由于新出现的靶细菌菌株的不断变化而产生的, 但这个问题可以通过筛选适应新菌株的噬菌体以及适时更新来克服. 此外, 与噬菌体生物防治有关的立法应是具有一定的弹性的, 以便生物防治剂的最佳应用和实施.
未来展望
全球农药以作物用农药为主, 2022年全球农药市场规模达到760亿美元, 2023年超过667亿美元. 作物保护用药仍然是全球农药市场的主力, 预计2023年的市场份额仍然在88%左右.
作物用农药产品种类丰富, 以除草剂, 杀虫剂和杀菌剂为主. 全球作物用农药市场规模中, 除草剂占比为 45. 2%, 杀虫剂占比为 24. 8%, 杀菌剂占比为 20. 4%, 其他农药占比为 9. 6%. 全球杀细菌剂市场将以4. 6%的年复合增长率增长, 2022年市场价值超过118. 8亿美元, 未来, 应该大力增加噬菌体产品所占比例.
基于噬菌体生物防治的综合植物保护策略概述[6]
1. 通过从患病作物中分离菌株来建立代表性细菌数据库. 对这些细菌进行系统发育分析可以估算总细菌多样性. 关于地理位置和分离期的元数据有助于了解菌株的地理分布. 此外, 还需要了解菌株的毒力, 以确定从收集物中筛选出的最相关菌株.
2. 从各种感染区域建立噬菌体数据库. 测试不同噬菌体的宿主范围, 并将其与细菌系统发育联系起来, 以便根据菌株分布开发合理的噬菌体应用. 此外, 深入的基因组数据有助于选择可安全用于农业环境的裂解性噬菌体. 在复配噬菌体鸡尾酒时, 鸡尾酒最好由识别不同受体的噬菌体组成, 以遏制抗药性发展.
3. 在垂直农业中, 植物在完全受控的水培温室中生长, 使用LED作为主要光源. 可以使用基于传感器的技术对植物进行监测, 从而控制植物的生长. 从这个角度来看, 经过机器学习算法训练的高光谱传感器可用于早期疾病检测. 一旦检测到感染, 可以向种植户的智能手机发送通知.
4. 对受感染的植物进行清除, 用生物农药(如噬菌体)治疗邻近植物.
5. 可以将高光谱传感器安装在无人机等无人驾驶飞行器上, 以检测田间病害. 这些无人机可以向农民发送报告, 农民可以合理地清除病株和治疗感染区域.
2022年1月<′′十四五′′全国农药产业发展规划>中指出, 计划到2025年, 着力培育10家产值超50亿元企业, 50家超10亿元企业, 100家超5亿元企业.
我国农药行业正处于转型升级的关键时期, 从以规模扩张为主向以质量效益为主转变, 从以传统农药为主向以新型农药为主转变, 从以原料药和制剂为主向以综合服务为主转变.
随着对噬菌体研究的深入, 其在植物保护中的应用前景日益明朗. 未来的研究将集中在提高噬菌体的稳定性, 扩大宿主范围, 开发新的噬菌体产品以及制定合理的监管政策等方面[7]. 此外, 随着合成生物学技术的发展, 基因工程改造的噬菌体可能会为植物保护提供更多的可能性. 噬菌体作为一种新型的生物农药, 在植物细菌性疾病的防治中具有巨大的应用潜力. 通过不断地研究和技术创新, 噬菌体疗法有望成为未来植物保护领域的重要手段, 为实现可持续农业发展做出更大贡献.
参考文献
[1] Vu NT, Oh CS. Bacteriophage Usage for Bacterial Disease Management and Diagnosis in Plants. Plant Pathol J. 2020 Jun 1;36(3):204-217. doi: 10. 5423/PPJ. RW. 04. 2020. 0074. PMID: 32547337; PMCID: PMC7272851.
[2] Jaglan, A. B. , Vashisth, M. , Sharma, P. et al. Phage Mediated Biocontrol: A Promising Green Solution for Sustainable Agriculture. Indian J Microbiol (2024). https://doi. org/10. 1007/s12088-024-01204-x
[3] Kering K K, Kibii B J, Wei H. Biocontrol of phytobacteria with bacteriophage cocktails[J]. Pest management science, 2019, 75(7): 1775-1781.
[4] Nawaz, A. , Zafar, S. , Shahzadi, M. et al. Bacteriophages: an overview of the control strategies against phytopathogens. Egypt J Biol Pest Control 33, 108 (2023). https://doi. org/10. 1186/s41938-023-00751-7
[5] 农用噬菌体, 一个潜在的十亿级增量市场, 或成为抗生素的黄金搭档. [2022-04-08]https://zhuanlan. zhihu. com/p/495018348
[6] Holtappels D, Fortuna K, Lavigne R, et al. The future of phage biocontrol in integrated plant protection for sustainable crop production[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2021, 68: 60-71.
[7] 赵曦, 郑德洪. 噬菌体防治植物细菌性病害研究进展[J]. 广西植保, 2020, 33(01):32-36
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