【绿色农业】曹宇虹与朱永官院士团队最新Nature:纳米涂层固氮细菌的稳定叶面定殖增强了作物氮素供应

本研究开发了一种基于金属-酚类网络和海藻酸钠的纳米涂层，用于保护并增强固氮克雷伯氏菌在叶际的抗逆性与定殖能力，显著提升其在田间的固氮效果与作物生长，实现大幅减少化学氮肥用量。

中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员团队与国家纳米科学中心（中国科学院）曹宇虹研究员团队联合开发了一种基于金属-酚类网络和海藻酸钠的纳米涂层接种剂，用于包裹克雷伯氏菌以增强其在叶际环境中的抗逆性与固氮性能。该涂层显著提升了细菌对紫外线、氧化、有氧及干燥胁迫的耐受能力，促进其在叶片表面的黏附与生物膜形成，14天后定殖量较未涂层菌提高3.3倍，附生与内生持久性均增强。纳米涂层菌为水稻贡献的氮素占总氮27.89%，为未涂层菌的两倍多，使植株鲜重增加1.4倍，田间试验中节省化学氮肥74.38 kg・N⁻¹。该策略为减少化肥依赖、提升作物生产力提供了可持续的有效途径。

相关成果以 “Stable foliar colonization of nanocoated nitrogen-fixing bacteria enhances crop nitrogen supply” 为题发表在《Nature Food》上。

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背景介绍

现代农业面临着满足全球日益增长的粮食需求与降低环境足迹的双重挑战，其中对化学氮肥的过度依赖是核心问题之一。化学氮肥虽能有效提高作物产量，但会引发土壤退化、水体富营养化及温室气体排放增加等一系列环境问题。据预测，到 2050 年，作物产量可能下降 9%，而氮素利用效率将从 0.50 降至 0.47，因此亟需开发可持续的替代方案，在不牺牲作物生产力的前提下减少化学氮肥的使用。

生物固氮（BNF）作为一种自然过程，能将大气中的氮气转化为植物可吸收利用的形式，为全球生态系统提供 52-130 Tg・yr⁻¹ 的天然氮输入，是解决上述问题的理想途径。相较于研究较为深入的根系接种固氮，叶际生物固氮尚未得到充分探索。叶际环境相对简单，且具有广阔的叶面积（约 10⁹ km²），便于灵活施用固氮菌且能直接接触空气中的氮气，具备巨大的应用潜力。然而，叶际环境中的紫外线辐射、高氧水平、降雨冲刷及干燥等恶劣条件，严重限制了接种固氮细菌的存活与活性，导致叶际固氮技术在农业中的应用受阻。传统的冷冻干燥或聚合物包埋等方法存在细菌活性有限及安全隐患等问题，而纳米技术，尤其是纳米涂层，为增强细菌的抗逆性和定殖能力提供了新的思路。金属 - 酚类网络（MPNs）具有抗氧化和黏附特性，海藻酸盐则具备生物相容性好、成本低及保护固氮酶的能力，二者的结合有望构建高效的叶面固氮菌接种剂。

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文章摘要

叶面施用固氮细菌进行生物固氮是减少化学氮肥依赖的有效途径，但细菌在叶际环境中的黏附与存活难题限制了其应用。本研究开发了一种基于金属 - 酚类网络（MPNs）和海藻酸钠的纳米涂层接种剂，用于包裹克雷伯氏菌（Klebsiella variicola W12），以增强其在氮缺乏条件下的固氮效果。该纳米涂层显著提升了细菌对紫外线辐射、氧化应激、有氧环境及干燥条件的抗性，促进了细菌在叶片表面的黏附与生物膜形成。施用后 14 天，纳米涂层细菌的定殖量较未涂层细菌增加 3.3 倍，显著提高了附生和内生持久性。纳米涂层细菌为植物提供的氮素占总氮量的 27.89%，是未涂层细菌的两倍多，使水稻 54 天后的鲜重增加 1.4 倍。田间试验表明，该接种剂可节省化学氮肥 74.38 kg・N⁻¹，为在减少化学氮肥依赖和环境影响的同时提高作物生产力，提供了一种可持续且有效的策略。

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文章内容

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图1纳米涂层固氮细菌的制备及叶面施用示意图。

图2 纳米涂层固氮细菌的表征结果。

图3 纳米涂层细菌的生物相容性及抗环境胁迫能力。

图4 纳米涂层策略促进固氮细菌在水稻叶际的定殖。

图5 纳米涂层接种剂对不同处理条件下水稻生长、籽粒产量及叶际微生物群的影响。

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总结展望

本研究开发了一种创新的基于纳米涂层的叶面接种策略，通过金属 - 酚类网络（MPNs）与海藻酸钠的结合，为固氮细菌构建了抵御紫外线、氧化应激、干燥和冲刷等环境胁迫的保护微环境。该策略显著提高了细菌的定殖效率（增加 3 倍）和生物固氮贡献（达到 27.89%，较未涂层接种剂提高近一倍）。温室和田间试验证实，该纳米涂层接种剂可使水稻产量增加 27.14%，总氮含量提高 28.09%，并能节省 74.38 kg・N⁻¹ 的化学肥料。

该技术具有可扩展性、成本效益和环境友好等特点，为化学氮肥提供了一种实用的替代方案，有望减轻化学氮肥带来的土壤退化、水体富营养化和温室气体排放等环境问题。本研究建立了利用叶际生物固氮的方法学框架，填补了相关领域的知识空白，为可持续和高产的农业实践提供了理论基础和技术支持。

Yiwen Liao, Li-Mei Zhang, Dawei Xu, et al. Stable foliar colonization of nanocoated nitrogen-fixing bacteria enhances crop nitrogen supply, Nature Food,2025.

https://doi.org/10.1038/s43016-025-01280-2

内容信息

封面：文章插图

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