Nature Comm：根际细菌保护水凝胶促进植物生长和适应酸性土壤！

高分子凝胶与网络 · 公众号 · · 2025-03-26 15:00

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摘要

内生促生根际细菌（PGPRs）可替代化肥用于可持续农业。但它们易受恶劣环境影响。作者提出一种由羧甲基壳聚糖、海藻酸钠和氯化钙组成的聚合物水凝胶（PMH），用于负载和保护内生PGPR。该水凝胶可负载内生PGPR，不仅能提高其促生效率，还能助其更有效地适应环境。以 Ensifer C5 为模型菌株、油菜为宿主植物，证明 PMH 促进内生 PGPR 在根顶端和侧根原基区域的定殖。进一步分析表明，PMH 调控内皮层细胞角质沉积，调节根尖生长素积累。同时，PMH 通过增加植物中花生四烯酸代谢中间产物含量，增强植物抗氧化能力和抗病性。重要的是，PMH 与内生 PGPR 结合使油菜产量提高约 30%。此外，PMH 减缓酸性环境对内生 PGPR 活性的损害。总体而言，这种微生物封装策略是保护脆弱内生微生物的有前景的方法，为可持续农业提供了新途径。

引言

全球范围内，农业生产一直是支撑人类生存与发展的关键产业之一。预计到2050年，全球人口将达到98亿，粮食需求将增加近70%。与此同时，农业生产正面临越来越多的挑战，其中城市化进程加快、土壤质量下降以及农药和化肥过度使用造成的环境污染等问题日益突出。随着全球农业生产的持续发展和人们对食品安全与环境保护意识的提高，对高效、环保且可持续的农业生产方式的需求不断增加。为了实现联合国可持续发展目标，寻找新型肥料以替代传统化肥已成为当务之急。微生物肥料作为一种可以替代化肥的新型产品，因其环保性和高效的土壤改良能力而备受关注。特别是促生根际细菌（PGPRs），它们被认为是能够与植物形成共生关系、促进植物生长、增强免疫力并改善土壤环境的潜在有益微生物。然而，在实际应用中，直接将PGPRs施用于土壤存在诸多挑战，例如由于气候变化和非生物胁迫因素（如土壤pH值、温度等）导致微生物存活率低，使得微生物难以在土壤中稳定存在以发挥促生效果，这已成为限制生物肥料大规模应用的主要瓶颈之一。

工程材料在植物领域有着广泛的应用，已被证明能够提高植物养分固定效率以促进生长，或与根际相关微生物群落动态互作以改善植物健康，同时减少传统肥料的使用并增加作物产量。值得注意的是，尽管纳米材料能够使各种生物活性物质和微生物附着，从而实现针对特定细胞类型或细胞器的定向递送，并且不受植物细胞类型的限制，但它们的合成过程复杂，可能对植物细胞具有潜在毒性，并且在植物复杂的生物环境中可能面临稳定性问题，这可能会降低其整体递送效率。相比之下，生物材料由于其良好的生物相容性和可降解性，在微生物封装方面具有巨大潜力。此前已有报道，由生物材料封装的PGPRs制成的微生物肥料能够促进种子萌发，保护微生物免受干旱胁迫，并减轻土壤盐碱化。目前，一些生物肥料菌株在与本地土壤微生物群落的竞争中缺乏优势，无法在植物根系中定殖以发挥促生效果。我们可以利用核心微生物组的内源性成员来减少与土壤微生物组的竞争，因为这些微生物将定殖于植物内部组织，从而受到保护。另一方面，一些生物肥料的封装材料存在成本效益不高、制备时间长、导致微生物活性丧失、无法长期保存以及不适合大规模使用等问题。另一个重要问题是，封装后的菌株需要适合在相应植物物种的组织中定殖，并且能够在接收环境中表现出预期的促生功能，这对于一些生物肥料来说是一个重大挑战。因此，迫切需要开发一种新型、低成本且简单的微生物封装材料，以保持PGPRs的活性，帮助其定殖，提高促生效率并抵抗酸性环境。

最近，作者选择内生PGPR Ensifer C5作为开发生物肥料的基本菌株，以提高促生效率。考虑到它们对恶劣环境条件的敏感性，我们选择了羧甲基壳聚糖（CMCS）、海藻酸钠（SA）和氯化钙（CaCl₂），通过静电吸引、离子交联和氢键等相互作用力形成聚合物水凝胶（PMH）。通过平板、盆栽和田间实验，确定PMH能够提高PGPRs在多种植物中的促生效率，并能抵抗酸性环境。结合荧光成像和多组学分析，揭示了PMH在促进PGPRs在植物根系内定殖、改变根扩散屏障以优化植物矿物质营养平衡和非生物胁迫响应、调节植物激素分泌以及与PGPRs协同增强植物代谢活性和抗氧化活性方面的能力。这些结果有助于提高农业生产的效率并减少环境污染，为以可持续方式实施生物材料支持的农业实践开辟了可能性。

结果

讨论与小结

本研究开发了一种基于生物材料的封装、保存和递送促生根际细菌（PGPRs）的方法。廉价且易于制备的聚合物水凝胶（PMH）能够维持PGPRs的活性，促进内生PGPRs在植物根系中的定殖，影响植物激素分泌和角质积累，增强植物的抗氧化活性和代谢能力，从而促进植物生长并保护PGPRs免受酸性环境的影响。作为可降解的生物材料，PMH对植物和环境无毒性，具有广泛的应用前景。研究中筛选出的PMH（3:7）比例结构稳定且具有弹性，是一种潜在的微生物封装材料。通过与商业封装材料PVP和MC的对比，PMH（3:7）在保持PGPRs活性和高效释放方面表现出色。选用油菜根系内的内生PGPRs减少了与土壤微生物的竞争，但仍然需要保护以抵御非生物环境胁迫并提高定殖效率。研究发现PMH能够促进PGPRs在植物根系中的定殖，直接提高促生效率。菌株C5的生理生化特征显示其具有促进植物生长的潜力，如帮助分泌吲哚-3-乙酸、促进侧根生长和改变根扩散屏障。通过转基因植物和根系角质染色证明了PMH对C5的剂量效应。PMH帮助C5调节根尖生长素积累，促进根生长，并影响根内皮层角质沉积，优化植物矿物质营养平衡。代谢组学数据显示PMH提高了植物的代谢活性和抗氧化能力。酸性土壤限制了全球作物产量，PMH在酸性环境中仍能保持其封装性能，帮助PGPRs抵抗酸性胁迫，促进根系内定殖并优化植物矿物质营养平衡。本研究为提高酸性土壤中的作物产量提供了有前景的解决方案，并展示了功能性工程材料平台在农业改良中的可靠性和广泛应用潜力，不仅限于PGPRs的递送和富集，还可用于增强植物抗病性或作为载体递送营养物质或药物以针对特定植物病原体。未来需要进一步探索植物响应的分子机制以及土壤环境的复杂成分（如有机物）的影响。