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被基因编辑“驯服”的洋葱菌,成为新一代生物农药的先驱
来源:基因农业 发布时间:2019-03-18

为了让农作物可以更好地生长,现代农业广泛依赖大量的农药来防止病虫害、快速清除杂草。它们虽然不会对农作物造成伤害,但自身仍具有毒性,甚至是剧毒(比如百草枯)。长期或使用不当,很可能会破坏当地自然环境,危害生态系统,甚至危害人类的健康。

幸运的是,随着生物科技的进步,科学家们正在将目光转向细菌和真菌等微生物,尝试让它们起到“生物农药”的作用,摆脱对化学农药的依赖。而近日,英国卡迪夫大学的研究人员就在该领域取得了一些突破,利用基因编辑技术,他们修改了一种伯克霍尔德氏菌(Burkholderia cepacia)的基因,在去除它对人的毒性的同时,保留了对植物病原菌的抑制作用,具备成为新型生物农药的潜力。

伯克霍尔德氏菌(属)广泛存在与大自然中,水、土壤、植物和人体中都有他的身影,已确认得有20多种。由于人类首次发现的那一种可以引起洋葱茎腐烂,因此该种类又被称为“洋葱伯克氏细菌”(下文简称“洋葱菌”)。

这次研究的对象就是这种“洋葱菌”。

自1949年首次发现以来,洋葱菌就凭借让人“又爱又恨”的特征吸引了很多科学家。

一方面,它具有促进促进植物生长和杀菌的能力,还可以分解土壤中的残留农药,是用来替换化学农药的最佳选择之一。

但另一方面,它也是一种致病菌,会使肺部囊性纤维化的病人罹患“洋葱伯克氏菌综合症”,还会引发多种感染病,严重者会出现生病危险。


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图 | 扫描电子显微镜下的“洋葱菌”,伯克霍尔德氏菌


在人们尚未完全了解洋葱菌的负面影响时,它一直在世界范围内被当作生物杀虫剂广泛使用,曾导致很多人患病和死亡。直到1999年之后,美国等西方国家逐渐重视了它的致病风险,提高了此类生物农药的注册标准,还暂停了它的大规模使用。

这一次,英国研究团队对洋葱菌基因序列进行了长期深入研究,更全面的掌握了它保护农作物的原理。

研究领导者Eshwar Mahenthiralingam 教授表示,“我们必须了解风险,才能减少风险,进而寻求一个兼顾所有人的平衡点。”

研究团队利用洋葱菌的基因制造出了抗生素Cepacin,这是有效对抗苗期猝倒病的关键——一种存在于土壤中的真菌病害,专门侵袭农作物的幼苗。

通过食用基因组测序等技术手段,他们发现,洋葱菌会将自己的基因组DNA分裂成3个复制子(基因片段),如果去除最小的复制子,就会创造出一种突变洋葱菌菌株。


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图 | 三个复制子,来源:Nature Microbiology

研究人员分别在肺部感染小鼠和豌豆幼苗上测试了效果,发现突变菌株既不会加剧小鼠的感染状况,又可以帮助植物抵抗苗期猝倒病,两全其美。

这一发现让研究小组非常兴奋。对于人类来说,洋葱菌似乎有望“改邪归正”。在自然条件下,洋葱菌等有益细菌可以和植物共生,如果真的不会导致人类疾病,那么这种特性有望在未来农业可持续发展中发挥重要作用。

研究团队目前正在探索抗生素Cepacin是否对害虫有效,下一步就是探索突变洋葱菌菌株的实用价值,比如会不会对人类和环境造成其它负面影响,能否大规模转变为一种安全的生物农药,最终使现代农业和粮食生产更加安全、健康和环保。

生物农药将成为未来农业发展的一大趋势,而被基因编辑“驯服”的洋葱菌,则成为了这条路上的先驱之一。 

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