利用3D生物打印技术优化磷酸盐控释肥料：化学与物理因素协同提升植物磷吸收效率

本研究针对磷肥环境流失严重问题，开发了基于3D生物打印的高通量筛选平台，系统评估了不同化学组成（TSP/DAP/鸟粪石）和粒径的磷酸盐肥料在细胞水平的吸收效率，成功筛选出球磨DAP与合成鸟粪石作为控释肥料最优来源。该研究为可持续农业施肥技术提供了创新解决方案（Quant Plant Biol. 10.1017/qpb.2025.10023）。

　　

磷是植物生长发育不可或缺的宏量元素，主要以正磷酸盐（orthophosphate, Pi）形式被植物吸收。然而传统磷肥存在严重环境问题——约80%的施用的磷会通过淋溶进入水体，引发藻华和缺氧死亡区。更棘手的是，土壤中的磷大多以生物不可利用的形式存在，或与铁、钙、铝等矿物离子结合形成难溶化合物。尽管土壤磷酸盐浓度可低至0.65 nM，植物根系需要至少1 μM的自由磷酸盐才能正常生长，这使得磷肥成为现代农业的必要组成部分。

面对这一挑战，控释磷肥技术被视为可持续农业的关键突破口。但新型肥料的迭代优化缺乏标准化筛选方法。不同化学特性的磷源（如三重过磷酸钙TSP、磷酸二铵DAP、鸟粪石）以及不同物理尺度（微米/纳米级）的颗粒对磷吸收效率的影响尚未系统评估。更复杂的是，磷酸盐饥饿会触发根系构型的适应性改变——抑制主根生长、促进侧根发育，这些响应在传统整体植物试验中难以在细胞层面精确解析。

在这项发表于《Quantitative Plant Biology》的研究中，研究团队创新性地采用3D生物打印技术构建高通量筛选平台，通过优化生物墨水成分、打印参数和细胞活性评估体系，实现了在细胞水平对不同磷源吸收效率的精准量化。他们首先利用烟草BY-2细胞（因其均质性和大量生物量优势）筛选出最佳打印参数：2.4%低熔点琼脂糖生物墨水、25G针头与20 kPa挤出压力组合可实现最高细胞存活率。

通过表达pCYCB1::CYCB1-GFP细胞周期标记的拟南芥根原生质体，研究人员证实3D生物打印系统能准确捕捉磷酸盐饥饿的细胞响应：在-Pi生物墨水中培养7-10天后，细胞存活率显著下降，单细胞分裂比例增加，而多细胞复合体形成受阻，这与整体植物中观察到的分生组织细胞分裂减少现象一致。

研究核心突破在于利用FRET（F?rster resonance energy transfer）磷酸盐生物传感器系：当细胞内磷酸盐浓度低时，传感器蛋白未结合磷酸盐， donor与acceptor荧光团间发生高效能量转移；当磷酸盐结合后FRET效率降低。通过校准，该传感器对0-0.5 mM低磷条件表现出显著敏感性。

团队系统比较了不同处理方式的磷源：

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  TSP（三重过磷酸钙，Ca(H₂PO₄)₂·H₂O）
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  DAP（磷酸二铵，(NH₄)₂HPO₄）
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  鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）

采用四种加工方式：商业原样（as-is）、研钵研磨（mortar & pestle）、单元球磨（unitary ball mill）和化学合成。结果显示球磨DAP和合成鸟粪石在细胞水平能实现与Pi充足组相当的FRET效率，表明其具有最优的磷释放特性。

基于筛选结果，研究人员用12%海藻酸钠-玉米淀粉混合物包覆最优磷源形成控释颗粒。FRET时序监测显示：包覆的球磨DAP和合成鸟粪石在3天内呈现理想的缓慢释放曲线，而其他处理组出现过早释放。整体植物实验进一步验证：施用包覆DAP的植株主根长度、侧根数量和生物量分配均与Pi充足组相似，且植株内磷浓度达到充足水平。

关键技术方法包括：1）采用挤压式3D生物打印技术将原生质体与可定制生物墨水（琼脂糖/海藻酸钠/Pluronic）形成三维构造；2）通过FRET-FLIM成像定量细胞磷吸收效率；3）利用磷酸盐生物传感器系（含eCFP/VENUS荧光蛋白）实时监测细胞内磷动态；4）通过球磨/化学合成调控肥料粒径（4.4-20.5 μm）；5）采用海藻酸钠-淀粉包衣技术构建控释颗粒。

主要研究结论：

1. 1.
   生物打印参数优化：25G针头与20 kPa压力组合在琼脂糖支架中实现最高细胞存活率（82%），针头规格与压力的协同效应显著
2. 2.
   磷酸盐饥饿响应验证：-Pi条件下生物打印细胞呈现分裂延迟（单细胞比例增加65%），与整体植物分生组织细胞分裂减少表型一致
3. 3.
   磷源筛选突破：球磨DAP（~8.7 μm）和合成鸟粪石（~4.39 μm）在细胞水平实现最佳磷吸收效率（FRET效率与+Pi对照组无显著差异）
4. 4.
   控释系统验证：包覆球磨DAP和合成鸟粪石呈现理想缓释曲线，3天内未出现突释现象
5. 5.
   整体植物响应：包覆DAP处理使根系构型完全恢复至磷充足状态（主根长度增加38%，侧根分支密度降低至+Pi水平）

该研究开创性地将3D生物打印技术应用于农业肥料开发领域，建立了首个针对控释磷肥的高通量细胞筛选平台。不仅解决了传统肥料迭代优化困难的问题，更揭示了肥料化学组成与物理尺度的协同效应：铵盐基磷肥（DAP）通过促进根伸长和根际酸化机制增强磷吸收，而鸟粪石的低溶解特性可有效减少淋溶损失。

研究意义深远：首先为不同地理区域（特别是发展中国家）的定制化肥料开发提供了技术范式；其次通过细胞水平提前预测整体植物响应，大幅减少田间试验成本；最后开创了植物营养研究从整体水平向细胞微环境解析的新范式。尽管控释肥料仍存在长期环境效应评估等挑战，但本研究提供的可定制化筛选平台将加速可持续农业施肥技术的迭代优化。

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注：本研究由美国北卡罗莱纳州立大学（NC State University）植物与微生物学系Rosangela Sozzani团队主导，合作单位包括佛罗里达大学材料科学与工程系、北卡罗莱纳州立大学化学与生物分子工程系等。工作得到美国国家科学基金会STEPS计划（CBET-2019435）和EAGER基金（MCB#2039285）支持。