01
土壤噬菌体的
裂解能力和种群数量
1.1 噬菌体裂解病原细菌能力
1.2 噬菌体和病原细菌的种群丰度
为了压制土壤病原菌的增殖，必须保证足够浓度/密度的噬菌体。目标病原细菌周围的噬菌体数量越多，可以增加噬菌体与病原菌的接触和互作频率，侵染成功率也会随之增加。需要注意的是，噬菌体的接种剂量并非越高越好，还需综合考虑噬菌体的最佳侵染复数（MOI）和最小抑菌浓度等因素。
此外，噬菌体消减土壤生物污染的效果和稳定性也受土壤病原细菌的丰度影响。在实际生产应用过程中，应结合土壤病原菌的定量检测技术，基于检测结果，在适宜的病原菌种群丰度条件下施用合适滴度的噬菌体，将土壤病原菌的数量控制在对作物、生态环境和人畜健康相对安全的范围内。
02
土壤病原细菌
多态性
2.1 土壤病原细菌的多态性
土壤病原菌生物污染难以消减的一个重要原因是其具有强环境适应性和高度的变异性。田间土壤中病原细菌的多态性大大制约了单一噬菌体的防控效果，所以在实际应用过程中，亟需针对特定土壤-作物系统评估病原菌的多态性，筛选出针对性的噬菌体资源，形成高效的噬菌体鸡尾酒防控策略。
2.2 土壤病原细菌抗噬菌体机制的多样性
土壤病原细菌在定殖致病过程中会形成生物膜或胞外多糖，通过形成“避难所”或掩蔽受体阻止噬菌体对其的侵染裂解。除了这些天然的物理阻碍屏障，细菌还进化出一系列的抗噬菌体机制（图1）。
1）抑制吸附：细菌通过调控受体基因的表达、改变受体蛋白的空间构型或修饰受体，产生竞争性抑制子或胞外物质掩盖受体等方式阻止噬菌体对受体的识别吸附；
2）Sie系统：在噬菌体突破第一重物理屏障成功吸附到细菌表面后，细菌利用Sie 系统改变表面的通透性，阻止噬菌体DNA注入；
3）R-M系统：噬菌体DNA进入胞内后，细菌通过启动限制/修饰防御系统（Restriction-modificationsystem，R-M），阻断噬菌体 DNA 整合到染色体中；
4）利用CRISPR-Cas系统靶向烈性噬菌体基因中的原型间隔序列（Proto-spacer），对入侵的dsDNA进行切割；
5）化学抑制：在链霉菌属中发现了一种化学防御，宿主细菌产生一个小的抗噬菌体分子，该分子插入噬菌体DNA并抑制其复制；
6）流产侵染：被侵染的细菌启动Abi 系统，采取程序性自我裂解、中断噬菌体复制的“流产侵染”方式，保护其他种群免遭噬菌体的侵染。
这些多样的抗噬菌体机制可以增强病原细菌对噬菌体的适应性，降低土壤生物污染的消减效果。在应用噬菌体消减土壤生物污染的过程中应加强对病原细菌抗性的监测和噬菌体鸡尾酒配方的动态更新，以积极应对病原细菌的抗性进化。
03
土壤非生物因素
对噬菌体疗法的影响
土壤中噬菌体的存在状态可分为两种：活跃状态和不活跃状态。土壤pH、温度、结构、营养条件等非生物因素会影响土壤中噬菌体的存在状态（图2），进而影响噬菌体消减土壤生物污染的效果。
3.1 土壤pH和温度
土壤的pH和温度不仅能够影响宿主细菌的生长、代谢活性，还能够直接影响噬菌体的存活和裂解能力。研究表明，噬菌体在pH 6～8 时能够长期保持较高的活性，但过酸或过碱均会影响到噬菌体的滴度。
3.2 土壤结构和有机质含量
由于土壤结构的高度异质性，噬菌体在土壤中的分布极不均匀。在范德华力的作用下，土壤黏土矿物或胶体吸附着大量噬菌体，限制噬菌体在土壤中的迁移以及与宿主细菌的接触和有效互作。噬菌体与宿主细菌个体差异达到几十至上千倍，除了土壤颗粒吸附对噬菌体迁移运动的影响，土壤高度异质复杂的空间结构进一步降低了噬菌体与宿主细菌接触的机率。
3.3 土壤营养物质
土壤中的矿质营养和有机营养可以通过影响宿主细菌的种群数量和代谢活性，进而影响噬菌体-病原细菌的互作。
3.4 土壤非生物污染胁迫
土壤中的重金属、抗生素和有机污染等非生物污染物也会影响了土壤中噬菌体的存活及其与病原细菌的相互作用。多种非生物复合污染胁迫如何影响噬菌体的应用效果仍有待进一步研究。
04
噬菌体疗法的
提升策略
4.1 构建高效的噬菌体鸡尾酒
将不同类型或不同宿主范围的噬菌体组合成“噬菌体鸡尾酒”可以一定程度提高消减土壤生物污染的效率。
潜在的机制包括：
1）扩宽宿主范围，能够靶标更多的病原细菌，提高噬菌体在土壤中的定殖与存活能力；
2）具备不同侵染机制的噬菌体组合，能够限制病原菌抗性突变的方向、降低其突变成功率、减少交互抗性的产生；
3）增强目标病原细菌的抗性成本，同时对所有噬菌体产生抗性需要付出巨大的适应性成本，包括毒力受损或生长减慢。
以土壤病原青枯菌为例，图3 展示了构建3个版本噬菌体鸡尾酒的策略，针对不同作物-土壤系统青枯菌特性和环境特点，评估不同版本的噬菌体鸡尾酒生防的稳定性，最终形成高效稳定、生态安全的根际微生态精准调控技术体系。
4.2 噬菌体产品形式及货架期优化
当前市场上的噬菌体产品主要有液体、包埋颗粒和固体粉末三种形式，其中液体形式的噬菌体产品的生产成本低，但运输成本高，且不耐存贮。利用纤维素、脂质体、海藻酸钠、乳清蛋白和明胶等生物材料对噬菌体进行包埋封装，或添加保护剂，制备噬菌体冻干粉末，能够有效提高噬菌体长期储存的稳定性。但包埋颗粒和固体粉末形式的噬菌体生产技术和成本较高。
4.3 噬菌体产品施用技术改良
优化施用时间和剂量：为了降低高温和紫外线等对噬菌体的杀灭作用，噬菌体施用时间上应避开高温或强辐射时段。噬菌体施用时考虑土壤生物污染爆发的时间也至关重要，既要考虑土壤中可能预先存在病原菌，又要考虑病原菌到达根表之前实现噬菌体的精准“拦截”。
联合多种施用方法：农业生产过程中噬菌体的施用一般有叶面喷施、蘸根、灌根和茎部注射等方式。需要针对特定的场景选择一种或多种施用方式联合，增强噬菌体消减土壤生物污染的稳定性。
与有益菌产品配施：根际有益功能菌能够产生环状脂肽、伊枯草菌素（Iturin）和芬荠素（Fengycin）等抑菌活性物质或与病原菌竞争生态位（资源和空间）抑制病原菌的生长。
05
结论与展望
噬菌体在精准靶向消减土壤生物污染中具有广阔的前景，但土壤的生物和非生物因素不同程度制约了噬菌体对土壤病原细菌的消减效果。尽管本文梳理了潜在的影响因素及提升策略，但相关的研究证据有待丰富，应用效果有待进一步实践验证。针对噬菌体靶向侵染土壤病原菌的推广和应用，以下几方面研究值得关注：
作者简介
国家自然科学基金杰出青年项目获得者。从事土壤生物障碍消减与根际微生态调控方面研究。被聘为Soil Ecology Letters副主编，担任Microbiome、iMeta、《土壤学报》和《农业环境科学学报》编委，中国植物营养与肥料学会根际营养专委会副主任委员、中国生态学会微生物生态专业委员会委员、中国土壤学会土壤生物与生化专业委员会委员。
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