Nature Commun | 西南大学李楠楠课题组发现一种聚合水凝胶，帮助有益菌促进植物生长并适应酸性土壤

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PGPR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（PGPR）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PGPR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2021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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56988-3