促进植物生长与酸性土壤适应的根际细菌保护性水凝胶研究

本研究针对化学肥料替代需求及植物根际促生菌(PGPRs)在恶劣环境中存活率低的问题，开发了由羧甲基壳聚糖(CMCS)、海藻酸钠(SA)和氯化钙(CaCl2)组成的聚合物水凝胶(PMH)。该材料可显著提高内生PGPRs的定殖效率，通过调节根系扩散屏障和生长素分布促进油菜增产30%，并增强植物抗氧化能力。研究为酸性土壤改良和可持续农业提供了创新解决方案。

　　

随着全球人口增长和耕地资源退化，如何在不加剧环境负担的前提下提高农作物产量已成为重大挑战。化学肥料过度使用导致的土壤酸化问题尤为突出——全球约50%耕地面临酸性胁迫，严重制约作物生长。植物根际促生菌(PGPRs)作为化学肥料的绿色替代品，虽能促进植物生长并改善土壤环境，但其在酸性土壤等恶劣条件下的存活率和定殖效率低下，成为限制生物肥料大规模应用的关键瓶颈。

西南大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，开发出新型聚合物水凝胶(PMH)封装系统。该系统通过羧甲基壳聚糖(CMCS)、海藻酸钠(SA)和氯化钙(CaCl₂)的协同作用，形成具有三维网状结构的生物相容性材料。研究以油菜内生菌Ensifer C5为模型，结合多组学分析和显微成像技术，证实PMH不仅能保护菌株抵抗酸性环境，还可通过调控根系扩散屏障和生长素分布，使油菜产量提升30%。

关键技术方法包括：1) 通过流变学测试筛选CMCS/SA最佳配比(3:7)；2) 利用激光共聚焦显微镜观察GFP标记菌株的根系定殖；3) 采用16S rRNA测序分析微生物群落结构；4) 通过LC-MS代谢组学解析植物抗氧化通路；5) 开展田间试验验证增产效果。

PMH的结构与封装性能

扫描电镜显示PMH具有多孔结构，比表面积大，为细菌繁殖提供理想环境。流变学测试表明CMCS/SA/CaCl₂(3:7)的储能模量始终高于损耗模量，结构稳定性最佳。与常规封装材料相比，PMH使菌株存活率提高2倍以上，并能实现可控释放。

促进多物种生长

盆栽和田间试验表明，C5-PMH处理使油菜鲜重增加1.5倍，净光合速率提升25%。在酸性条件(pH=5.5)下，PMH能维持菌株活性，使油菜侧根数量较对照组增加3倍。

根系定殖与生理调控

荧光成像显示PMH促进菌株在根尖和侧根原基富集，定殖密度提高80%。通过DR5::GFP转基因植株证实，C5-PMH处理显著增强生长素在根尖的积累。

代谢机制解析

代谢组学发现C5-PMH显著上调花生四烯酸代谢通路，其中12(R)-HPETE含量增加2.1倍，增强植物抗氧化能力。同时，硫辛酰胺(lipoamide)表达上调，通过调控丙酮酸脱氢酶复合体促进能量代谢。

该研究开创性地将生物材料科学与微生物肥料相结合，解决了PGPRs环境耐受性差和定殖效率低两大难题。PMH制备工艺简单、成本低廉，每公顷应用成本仅为传统生物肥料的60%，但增产效果显著。更重要的是，该技术为酸性土壤改良提供了新思路，有助于实现《联合国可持续发展目标》中的零饥饿和可持续农业目标。研究团队已就PMH封装技术申请国际专利，预计将在油菜、白菜等十字花科作物中率先推广应用。