全球农业生产面临重大挑战，包括城市化、土壤退化、环境污染及对粮食需求的增长。为应对这些挑战，实现可持续发展目标，寻找替代传统化肥的新型肥料成为迫切需求。微生物肥料，特别是植物根际促生菌（
PGPR
），因其生态友好性和土壤改良能力受到关注。然而，
PGPR
在土壤中的存活率受气候变化和非生物胁迫影响，限制了其大规模应用。生物材料因其良好的生物相容性和生物可降解性，被视为有潜力的微生物封装剂。当前，生物肥料面临与本地土壤微生物群竞争、成本效益不高、制备时间长、微生物活力丧失及长期保存困难等问题。因此，开发新型、低成本、简单的微生物封装剂，以长期保持
PGPR
活性、帮助其定殖并提高促生效率
，成为当前亟待解决的问题。
近日，西南大学资源环境学院
李楠楠教授
团队和西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院
肖波教授
团队
合作在国际主流期刊
Nature Communications
上
在线
发表了题为
“
Rhizobacteria protective hydrogel to promote plant growth and adaption to acidic soil
”
的研究论文
。该研究开发
了一种
聚合水凝胶，可以提高
P
GPR
在不同植物中的促生效率并减轻酸性胁迫。
微生物肥料，特别是植物根际促生菌（
P
GPR
）被认为是潜在的有益微生物，能与植物形成共生关系，促进植物生长，增强免疫力，改善土壤环境。
然而，
PGPR
在土壤中的存活率受气候变化和非生物胁迫影响，限制了其大规模应用。
工程材料可以与根瘤菌圈相关微生物群动态互动以改善植物健康，同时减少传统肥料施用量并提高作物产量。值得注意的是，虽然某些材料可以附着各种生物活性物质和微生物，从而促进向特定细胞类型或细胞器的定向输送，且不受植物细胞类型的限制，但存在一些问题，比如合成过程复杂，对植物细胞有潜在毒性，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输送效率。
目前，一些生物肥料菌株与本地土壤微生物群落相比缺乏竞争优势，难以发挥其促生作用
。
另一方面，一些用于生物肥料的封装剂面临着成本效益不高、制备时间长、导致微生物活力丧失、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
，菌株封装后必须适合在相应植物物种的组织中定殖，并能在接受环境中表现出所需的促生功能，这对某些生物肥料来说是一个重大挑战。
针对以上问题，该研究选择了内生
PGPR
粘着箭菌
C5
作为开发生物肥料的基本菌株，以提高其
促生
效率
，并基于
羧甲基壳聚糖、海藻酸钠和氯化钙
，设计了一种聚合水凝胶
（
PMH
）
用于提高
P
GPR
的促生效率并阐明其作用机制
。
PMH
可以
促进内生
PGPR
在根尖和侧根原基的定殖
，从而
调节内皮层细胞木栓质
的
沉积
，
优化植物的矿
质营养平衡和非生物胁迫响应，并提高
根尖生长素的积累。同时，
PMH
通过增加植物中花生四烯酸代谢中间体的含量，增强了植物的代谢活性和抗氧化活性。重要的是，
PMH
与内生
PGPR
的结合使甘蓝型油菜的产量在田间试验中提高了约
30%
。此外，
PMH
还能减少内生
PGPR
在酸性环境中的活性损失。
这些
结
果有助于提高农业生产效率和减少环境污染，为以可持续的方式实施生物材料支持的农业实践提供了可能性
。
综上，该研究开发了一种基于生物材料的方法来封装、保存和输送
PGPR
。这种价格低廉、易于制备的
PMH
可以长期保持
PGPR
的活性，促进内源
PGPR
在植物根系
的中柱部位定殖
，影响植物激素的分泌和
木栓质
的
沉积
，增强植物的抗氧化活性和代谢能力，从而促进植物生长，
并抵御酸性环境
。
因此，这种微生物包埋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的途径。
西南大学资源环境学院
李楠楠教授
和西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院
肖波教授
为论文通讯作者，西南大学含弘学院
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级本科生
冯麒瑞
为第一作者。该工作得到了国家重点研发计划
、
国家级青年
人才项目、西南大学青年领军人才项目、宜宾市双城合作协议研究资助、河南省高等学校重点研究计划的
支持
。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56988-3
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