npj Biofilms and Microbiome|小蝦米的大救星!腸道共生菌聯(lián)手噬菌體對抗南美白對蝦弧菌病
弧菌是南美白對蝦養(yǎng)殖的主要病原體,其中副溶血弧菌、溶藻弧菌和哈維氏弧菌等致病菌危害尤為嚴(yán)重。弧菌感染后的對蝦可能出現(xiàn)肝胰腺壞死、空腸空胃、紅體白斑、偷死等癥狀。若發(fā)生急性感染,3-5天內(nèi)死亡率可超過80%,常導(dǎo)致大規(guī)模死亡甚至被迫清塘,造成對蝦養(yǎng)殖業(yè)重大損失。
8月16日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所馬迎飛團隊,在國際學(xué)術(shù)期刊npj Biofilms and Microbiomes(中國科學(xué)院1區(qū)top期刊,最新 IF=9.2)發(fā)表了題為“Synergistic effects of commensals and phage predation in suppressing colonization by pathogenic Vibrio parahaemolyticus”的研究成果。該研究由馬迎飛團隊與澳華集團共同推進(jìn),雙方歷經(jīng)5年深入產(chǎn)業(yè)化合作,圍繞南美白對蝦弧菌病害防控的實際需求展開聯(lián)合攻關(guān)。研究通過多組學(xué)聯(lián)合分析和體內(nèi)外模型驗證,鎖定南美白對蝦腸道內(nèi)“共生菌屏障”與“噬菌體精準(zhǔn)靶向”兩大核心機制,首次提出“共生菌-噬菌體協(xié)同防控”策略。研究團隊基于關(guān)鍵腸道共生菌構(gòu)建了合成菌群,聯(lián)合副溶血弧菌噬菌體,將遭受弧菌感染的對蝦存活率從23%提升至69%,這一綠色、精準(zhǔn)、可預(yù)防的微生態(tài)干預(yù)方案,為替代抗生素、防控南美白對蝦弧菌病害提供了新范式。
研究發(fā)現(xiàn):腸道共生菌構(gòu)建對蝦弧菌防御屏障
研究團隊從健康對蝦腸道中分離12株可培養(yǎng)菌株,構(gòu)建合成菌群Com12。實驗發(fā)現(xiàn),單獨添加致病性副溶血弧菌VP6會導(dǎo)致對蝦死亡,加入Com12后對蝦存活率得到一定程度的提升;而當(dāng)共生弧菌VA3與Com12協(xié)同作用時,則可進(jìn)一步增強VP6感染狀態(tài)下對蝦的生存能力(圖1a&b)。這表明腸道共生菌可顯著提升對蝦抗病能力。
精準(zhǔn)干預(yù):基于共生菌-噬菌體協(xié)同的弧菌防控策略
體外實驗表明,在共生菌群Com12生長初期,其菌群結(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)定,此時致病弧菌VP6表現(xiàn)出較強的競爭優(yōu)勢,能夠迅速占據(jù)菌群的主要生態(tài)位(圖 2),而此階段Com12自身的防御機制尚不足以抵御其入侵。
為增強菌群生長初期的防御能力,研究團隊將共生菌VA3和VP6phageC(VP6特異性裂解噬菌體)引入Com12體系,系統(tǒng)評估了三者與VP6的互作關(guān)系。結(jié)果顯示,單獨添加VA3或VP6phageC均可顯著降低VP6在菌群中的豐度(圖3左、中)。而VA3與VP6phageC聯(lián)合處理時,二者產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),對VP6定植的抑制效果顯著優(yōu)于單獨處理組(圖3右),證實噬菌體與細(xì)菌定植抗性存在協(xié)同增效作用。
為驗證抑菌效果是否受共生菌和噬菌體加入時機的影響,研究團隊設(shè)計了時間梯度實驗。當(dāng)單獨使用噬菌體VP6phageC時,其抑制效果隨添加時間推遲而減弱,延遲6小時后添加幾乎無法逆轉(zhuǎn)VP6的定植優(yōu)勢(圖4a)。而當(dāng)VA3與噬菌體聯(lián)用時,VA3能在噬菌體完成“殺菌”過程后快速“占位”(占據(jù)生態(tài)位),形成連續(xù)防御體系(圖4b)。值得注意的是,即使在聯(lián)合處理條件下,延遲6小時處理的防控效果仍顯著低于2小時內(nèi)的早期處理組。
當(dāng)致病弧菌VP6的入侵時間推遲至Com12菌群發(fā)育2、6、12及24小時后,即使不添加VA3與VP6phageC,成熟的Com12菌群結(jié)構(gòu)已能獨立抵抗VP6入侵(圖4c)。
上述研究表明,噬菌體裂解捕食作用與共生菌定植抗性的協(xié)同組合可構(gòu)建高效防御體系,且在VP6定植前的預(yù)防性應(yīng)用效果顯著優(yōu)于定植后的治療性干預(yù)。
應(yīng)用驗證:協(xié)同策略的弧菌防控效能
研究團隊通過體外條件培養(yǎng)體系(圖5a)結(jié)合對蝦攻毒實驗(圖5b),從13株共生菌(12+1)中篩選出4株關(guān)鍵功能菌株(Com4)。
養(yǎng)殖環(huán)境模擬實驗顯示:單獨使用噬菌體干預(yù)時,能在一定程度上降低兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的致病弧菌密度:養(yǎng)殖水體中游離VP6在5天內(nèi)降至檢測限以下;對蝦體內(nèi)VP6載量較對照組降低3個數(shù)量級(圖6a、b、c),相應(yīng)地對蝦的病理狀態(tài)得到好轉(zhuǎn)(圖6e)。
與體外實驗中 “共生菌-噬菌體” 的協(xié)同效果一致,當(dāng)噬菌體與共生菌Com4聯(lián)合使用時,清除致病弧菌的速度比單獨使用噬菌體更快:水體中弧菌在感染后3天就降至檢測下限(比單用噬菌體組提前2天);對蝦腸道內(nèi)的弧菌數(shù)量也比單獨使用噬菌體組再降低1個數(shù)量級。更重要的是,該策略還能增加對蝦腸道菌群的多樣性,更利于形成穩(wěn)定的腸道微生態(tài)屏障。
前景展望:推動全球對蝦養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展
弧菌病害每年給全球?qū)ξr養(yǎng)殖業(yè)造成超過30億美元的經(jīng)濟損失。面對日益嚴(yán)峻的抗生素耐藥性問題,本研究提出的“共生菌-噬菌體協(xié)同防控”策略通過建立“殺菌-占位”雙重作用機制,將感染對蝦的存活率從23%提升至69%,展現(xiàn)出顯著應(yīng)用效果。另外該方案具有預(yù)防性干預(yù)、生態(tài)安全性高和可操作性強三大特點,為對蝦養(yǎng)殖提供了一種可替代抗生素的新型綠色防控技術(shù),將為健康養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所馬迎飛研究員為本文通訊作者。哥本哈根大學(xué)博士陳玲、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所助理研究員黃志鵬為本文共同第一作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、深圳市醫(yī)學(xué)研究基金、“地平線歐洲”計劃、丹麥創(chuàng)新基金及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等的支持。

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原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41522-025-00802-x

圖1.?致病弧菌和共生菌對南美白對蝦存活率的影響

圖2.?致病弧菌對共生菌群Com12結(jié)構(gòu)的影響

圖?3.?共生菌、噬菌體和致病弧菌?VP6的動態(tài)關(guān)系

圖?4.?介入時機對共生菌?-?噬菌體組合清除致病弧菌?VP6?效果的影響

圖5.?共生菌中抑制致病弧菌VP6生長的關(guān)鍵菌篩選

圖6.?噬菌體與共生菌?Com4?對南美白對蝦致病弧菌(VP6)的防控效果
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