微针递送根际生物肥料通过微生物组工程促进植物生长

《Advanced Functional Materials》：Microneedle-Based Biofertilizer Delivery Improves Plant Growth Through Microbiome Engineering

本综述创新性地提出“微针生物肥料”概念，通过可定制的微针结构将植物根际促生菌（PGPR）和真菌精准递送至植物叶片与茎部，实现地上部高效递送。研究证实该方法较传统根际接种节省15%以上菌剂用量，并能诱导植物代谢重编程（如TCA循环、氨基酸代谢）及根系微生物群落改变，为精准农业和可持续发展提供了全新解决方案。

　　

微针递送系统设计与表征

研究团队针对植物叶片和茎部不同组织厚度特征，分别设计了两种定制化微针结构：用于叶片递送的1×1 cm方形贴片包含40×40金字塔形针尖（长度139±2 μm），用于茎部递送的矩形贴片则排列单排8个针尖（长度434±6 μm）。微针采用聚乙烯醇（PVA）作为基质材料，在插入叶片后30秒内即可快速溶解，实现生物肥料的迅速释放。力学测试表明，穿透植物叶片仅需0.62 N的力（相当于每个针尖0.3875 mN），适合农民通过指压进行田间应用。

通过共聚焦显微镜观察证实，链霉菌-土壤球菌-芽孢杆菌（SAB）复合菌群能够均匀负载于微针中。活死染色实验显示，从溶解微针中释放的SAB存活率与新鲜菌液相当，且在4周储存期内保持高活性。该系统还成功验证了对小分子（FITC）、大分子（葡聚糖、BSA）和纳米颗粒（量子点）等多种载荷的递送能力。

微针递送植物根际促生菌促进植物生长

以菜心（Choy Sum）和羽衣甘蓝（Kale）为模型植物，研究人员系统比较了传统土壤接种与微针递送的效果。实验结果表明，通过叶片（SAB-MN @ Leaf）和茎部（SAB-MN @ Stem）微针递送SAB，分别使菜心地上部生物量提高1.57倍和1.62倍，叶片面积显著增加。值得注意的是，微针递送仅需8.5×10⁴个细胞即可达到与传统土壤接种（1×10⁵-10⁷个细胞）相当的促生长效果，证明其显著提高了菌剂利用效率。

剂量效应研究显示，植物生长促进效果与SAB浓度呈正相关，当浓度超过1×10⁸ CFU mL^?1时达到平台期。通过使用手持式施用器，实现了大面积均匀的微针插入，且组织损伤评估表明，微针递送仅造成轻微且可逆的组织扰动，叶绿素指数保持稳定，胁迫相关基因（MYC2a、AOS、AOC）表达在24小时内恢复正常。

微针递送诱导植物代谢重编程

通过非靶向代谢组学分析发现，SAB微针处理组与未处理组和土壤接种组在PCA分析中明显分离，共检测到717个代谢特征，其中265个存在显著差异。通路富集分析显示25条代谢通路发生显著改变，包括高度显著的柠檬酸循环（TCA循环）、丙酮酸代谢和氮代谢等能量代谢通路，以及类胡萝卜素生物合成、叶酸生物合成、生物素代谢等生物合成通路。

氨基酸代谢通路如色氨酸、酪氨酸、精氨酸和脯氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸代谢也受到显著影响。次级代谢物（生物碱、黄酮类、萜类、皂苷）和脂类相关代谢物（脂肪酸、衍生物、甾醇）显著上调，植物激素、维生素和核苷酸水平也明显升高。DPPH自由基清除实验证实，SAB微针处理组的抗氧化能力（27.9%）显著高于未处理组（5.9%）和空白微针组（11.7%），表明其增强了植物的抗氧化 capacity。

PGPR在植物体内的迁移与根系微生物组改变

通过庆大霉素抗性、GFP标记的细菌追踪实验，研究发现叶片注射的细菌能够在植物体内迁移。注射后12小时，细菌从注射区域（Area 0）迁移至2厘米外区域（Area 1），24小时后进一步迁移至4厘米外区域（Area 2），迁移至Area 2的细菌数量较12小时增加7.7倍。

更重要的是，注射后3天和7天，在根系中检测到迁移而来的细菌，且第7天根系中的细菌数量较第3天增加，而叶片中的数量减少，表明细菌从叶片向根系的持续转运。16S rRNA基因测序分析表明，SAB微针处理改变了根系微生物群落组成，在门水平上以Pseudomonadota（原Proteobacteria）为主，其次是Actinomycetota、Bacteroidota、Verrucomicrobiota和Acidobacteriota。属水平上，SAB处理（特别是微针递送）增加了Curvibacter丰度，降低了Massilia丰度，表明其对特定微生物类群的选择性富集或抑制。

微针递送根际真菌促进植物生长

研究进一步扩展了微针技术的应用范围，评估了真菌AR8（Tinctoporellus species）的递送效果。AR8是一种从拟南芥根际分离的内生真菌，通过形成间和细胞内菌丝定殖根内空间，通过引导代谢流向苯丙烷类化合物和辅助植物激素生物合成来促进 Brassica 蔬菜生长。

实验结果显示，通过叶片微针递送AR8（AR8-MN @ Leaf）与土壤接种（AR8 @ Soil D4）均能显著提高菜心地上部生物量、叶面积和株高，但仅在处理第13天时，叶片微针递送表现出显著促生长效果。植物激素分析表明，AR8微针处理显著上调了脱落酸（ABA）和吲哚-3-乙酸（IAA）水平，分别提高1.58倍和2.14倍，而对异戊烯基腺嘌呤（iP）、反式玉米素核苷（tZR）和赤霉酸A₃（GA₃）的影响不一致，表明其通过调控复杂的激素信号网络促进植物生长。

讨论与结论

与传统丝素蛋白微针相比，本研究采用的PVA基质微针具有溶解速度快（30秒）、环境足迹低、成本低廉（<2美元/千克）和可生物降解等优势。制造过程包括微生物培养、PVA铸模溶液制备、微针成型干燥和储存四个主要步骤，约需4天完成一个生产周期，适合标准化和规模化生产。

尽管该技术在大田应用 scalability 方面仍面临挑战，但农业机器人和自动化技术的快速发展为开发智能微针系统提供了可能。将微针与配备软执行器的无人地面车辆集成，可减少人工劳动，实现在多样化植物类型和农场设置中的应用。该技术特别适用于高价值、慢生作物（如药用植物人参）的小规模栽培，以及在自然灾害迫近时需要快速收获的场景。

研究证实，微针介导的根际生物肥料地上部递送是一种高效、精准的植物微生物组工程策略，不仅显著提高菌剂利用效率，还能诱导植物系统性代谢重编程和微生物群落调控，为可持续农业发展提供了创新性解决方案。