最新!南京工业大学全国争先创新奖&化工学会会士‌&国务院特殊津贴Nat Commun-仿生核壳微胶囊提高非孢子细菌稳定性与存活率增强耐盐性

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一、中文标题

仿生核壳微胶囊通过提高非孢子细菌的稳定性与存活率增强植物耐盐性（Bio-inspired core-shell microcapsules enhance plant salinity tolerance by improving stability and survival of non-spore bacteria）

二、发表单位及通讯作者

发表单位：南京工业大学材料化学工程全国重点实验室、食品与轻工学院；辽宁省农业科学院耕作栽培研究所；南京轩凯生物科技股份有限公司；江苏省农业科学院植物保护研究所
通讯作者：Wei Bai（libai200008@126.com）、Rui Wang（ruiwang2013@njtech.edu.cn）、徐虹（xuh@njtech.edu.cn）

三、科学问题

如何通过仿生核壳微胶囊技术，提高非孢子形成植物促生菌在室温储存和土壤环境中的存活率，并增强其定殖能力，从而实现盐胁迫下作物生长的有效促进？

四、发表时间

时间：2026年4月28日

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72523-4

五、摘要

      非孢子形成细菌可通过多种策略增强作物耐盐性，但在储存和田间应用中存活率低，限制了其使用。受孢子休眠结构的启发，本研究开发了一种由海藻酸钠、聚-γ-谷氨酸和壳聚糖组成的核壳微胶囊（APC）。以Pantoea alhagi NX-11为模型，发现APC封装显著提高了细菌在室温储存期间的存活率，并在另外两种非孢子菌中验证了该效果。机制研究表明，APC通过抑制TCA循环和氧化磷酸化途径，诱导细菌进入代谢休眠状态。在温室盐胁迫下，接种APC封装NX-11使水稻干重提高24.2%；在盐渍田间，使水稻产量提高15.8%，这归因于APC增强了NX-11在根际的定殖能力。该仿生封装策略为开发可在盐渍土壤中提高作物抗逆性的高效微生物菌剂提供了新途径。

图1 图文摘要

六、研究背景

       盐胁迫是现代农业中严重影响作物生长和产量的重要非生物胁迫之一。全球约20%的耕地受到盐渍化影响，且以每年10%的速度增加，预计到2050年将超过50%。盐胁迫导致植物体内Na⁺和Cl⁻过量积累，引发渗透胁迫、离子胁迫、蛋白质合成抑制以及活性氧（ROS）诱导的膜脂过氧化。因此，迫切需要开发缓解植物盐害的策略，以保障人口增长下的粮食供应。

       植物促生菌（PGPB）作为土壤源益生菌，可通过诱导抗氧化系统、提高抗氧化酶活性、促进渗透调节物质积累等多种方式增强植物耐盐性。然而，大多数PGPB为非孢子形成细菌，缺乏孢子休眠结构，在储存期间及接种土壤后易受环境胁迫和土著微生物竞争，导致存活率急剧下降，限制了其田间应用效果。

       现有研究主要通过脱水和干燥技术降低细胞水分以诱导休眠，但非孢子菌对水分敏感，干燥过程中活菌数呈指数下降。因此，通过控制氧气水平诱导微生物休眠，并构建保护性微环境以抵御土壤微生物竞争，成为更可靠的策略。然而，同时实现诱导休眠和促进根际定殖的一体化技术尚未见报道。

       受微生物孢子休眠结构的启发，本研究开发了一种具有核壳结构的仿生微胶囊，通过将细菌封装于致密的水凝胶核心中，限制氧气扩散、诱导代谢休眠，同时利用壳聚糖外壳增强结构稳定性与缓释能力，从而提高非孢子菌在储存和土壤中的存活率，并增强其根际定殖与促生效果。

七、研究结果

结果1、 核壳微胶囊的制备与结构表征

       通过单因素实验和Taguchi正交设计优化了APC微胶囊的制备工艺。最佳条件为：SA/γ-PGA比例4:1、CaCO₃浓度1.5%、聚合物/菌比例6:1、壳聚糖浓度0.3%。FTIR显示氨基与羧基间形成静电相互作用，XRD证实CS、SA与γ-PGA成功复合，XPS显示N元素化学环境变化。与SA微胶囊（A）和SA-γ-PGA微胶囊（AP）相比，APC具有更密集的表面、更大的平均直径（234.95 μm）、更小的比表面积、孔体积和孔径。土壤降解实验表明，APC在28天后失重44.7%，具有适中的生物降解性，有利于保护菌剂并实现持续释放。

图2 微胶囊表征

结果2、APC封装显著提高非孢子菌的储存存活率

       室温储存12周后，游离NX-11活菌数降至2.95 log CFU/g，而A、AP和APC封装组分别为6.65、7.32和8.43 log CFU/g。APC封装对其他非孢子菌（Lysobacter enzymogenes OH11、Pseudomonas nitroreducens L16）同样显著提高了存活率。SEM显示，APC中细菌形成聚集菌落，而A中为分散浮游状态。蛋白质组学分析表明，与游离菌12周后（CK-12W）相比，APC封装组（APC-12W）中TCA循环（柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶等）和氧化磷酸化相关蛋白显著下调。与新鲜菌（CK-0W）相比，CK-12W中这些途径上调。APC通过抑制能量代谢诱导细菌进入休眠样状态，从而延长储存寿命。

图3 胶囊性能

图4 蛋白质组分析

结果3、APC封装增强NX-11对盐胁迫下不同作物的促生效果

       温室盐胁迫下，接种APC-NX-11的水稻幼苗株高和干重显著高于游离NX-11和空微胶囊处理组，干重较游离菌提高14.61%，较空胶囊提高50.88%。APC-NX-11显著提高了水稻可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量，增强了SOD、CAT、POD活性，降低了H₂O₂和MDA含量，并提高了ABA含量。APC-NX-11在番茄、玉米和生菜上也表现出更强的盐胁迫缓解效果。田间盐渍土壤中，APC-NX-11处理使水稻千粒重提高3.84%，产量提高15.78%。

图5 促生分析

结果4、APC封装改变根际微生物群落并增强NX-11定殖

       盐胁迫降低了根际细菌Shannon指数，但APC-NX-11处理改变了群落结构（PCoA分析）。LEfSe分析显示，APC-NX-11处理显著富集了潜在固氮菌（Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium、Devosia、Sphingomonas）。更重要的是，通过全长16S rRNA序列匹配，仅在APC-NX-11处理组中检测到NX-11（ASV2786），而游离菌组未检出。LSCM和板计数证实，APC封装使NX-11在水稻根际的丰度较游离菌提高342.32%。在非灭菌盐渍土壤中，游离NX-11活菌数从6.87降至4.82 log CFU/g，而APC封装组维持在6.76 log CFU/g，表明APC有效保护菌剂免受土著微生物竞争。

图6 根系群落

八、讨论

       本研究开发的仿生核壳微胶囊（APC）通过双重机制解决了非孢子形成PGPB在农业应用中储存稳定性差和土壤存活率低的核心瓶颈：①致密的核壳结构限制氧气扩散，抑制TCA循环和氧化磷酸化，诱导细菌进入代谢休眠状态，从而显著延长室温储存寿命；②壳聚糖外壳与γ-PGA/SA双网络水凝胶核心形成稳定的缓释系统，在土壤中适度降解，同时保护菌剂免受土著微生物竞争，提高根际定殖效率。APC封装不仅增强了NX-11自身在盐胁迫下的促生功能（渗透调节物质积累、抗氧化酶活性提高），还通过改变根际微生物群落结构招募有益菌群。该策略在多种作物上验证有效，并在田间实现增产，具有广泛的农业应用前景。未来可进一步探索该封装系统对其他非生物胁迫（干旱、低温）的适用性，及其与合成生物学改造菌株的协同效应。

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