综述：促生植物根际细菌介导的纳米颗粒在可持续农业中的应用：文献计量学综述

《Rhizosphere》：Plant growth-promoting rhizobacteria-mediated nanoparticles for sustainable agriculture: A Scientometric review

　　

# 摘要

全球变暖以及化学农药和肥料的过度使用干扰了土壤肥力，进而影响植物-土壤关系，导致营养失衡、植株矮化、光合速率降低及其他代谢变化。人们认为，植物生长促进根际细菌（PGPR）介导的纳米颗粒（NPs）或其组合是提高作物产量同时保护环境的一种途径。本研究利用文献计量分析方法，通过评估2016年至2025年Web of Science（WoS）数据库中的文章，考察了科学界在使用基于PGPR的纳米颗粒减轻各类作物环境胁迫方面的兴趣。关键词共现分析的超可视化结果显示，PGPR和纳米颗粒通过改善养分获取、增强抗逆能力、合成植物激素、激活关键抗逆机制、金属解毒以及实现植物修复来促进植物生长。与常规农药和肥料相比，研究分析显示出使用基于PGPR的纳米颗粒来提高作物产量生产力的可持续农业方法日益增长的趋势。PGPR和纳米颗粒的积极作用也被讨论，因为它们在缓解多种作物的细菌和真菌病原体方面发挥着至关重要的作用。同时，将PGPR与NPs结合使用的趋势也在增长，因为与单独使用相比，它们的稳定性更高。PGPR-based NPs在农业中的挑战和风险也进行了讨论。纳米生物肥料制剂、纳米赋能微生物接种剂和纳米生物刺激素是PGPR-NPs的副产品，似乎越来越普遍。应进一步开展研究，以了解PGPRs和NPs在根际区的内部机制。

# 引言

据联合国预测，到2050年世界人口预计将达到97亿，到2080年代中期达到峰值104亿（Tatung and Deb, 2023; Ahmad et al., 2024）。全球人口的巨大增长给养活整个社会的食物带来了压力（Karunakaran et al., 2024）。21世纪，世界农业系统面临了初级和次级挑战。初级驱动力是人口增长和气候变化，导致食物需求持续上升，而供给仍然不足（Bhardwaj et al., 2025）。降雨模式波动、环境胁迫、生长季变化和极端天气条件增加影响了水资源可用性和总体粮食生产（Gupta et al., 2023; Ahmad et al., 2024; Liaqat et al., 2025）。过度耕作和土壤侵蚀是次级挑战，通过减少养分供应和改变土壤微生物来降低土壤肥力（Pandian et al., 2024）。为满足全球对食物的巨大需求，近年来大量使用了化学农药和肥料，显著提高了农业效率（Zhang et al., 2025）。然而，过量使用农用化学品对人类健康、生物多样性、土壤健康和环境安全构成了威胁。对于可持续发展而言，替代此类异源化合物是一个关键挑战（Chouhan and Mandal, 2021; Fan et al., 2022）。如今，各种现代农业技术已得到实施，包括有机农业和生物肥料（Elnahal et al., 2022; Shahwar et al., 2023; Ding et al., 2024）。此外，研究人员正在寻找化学替代物，如有益微生物，它们可以促进植物生长并适应胁迫（Maithani et al., 2023）。有益土壤微生物对可持续农业的发展至关重要，健康的土壤为安全的农业产出提供了基础（Suman et al., 2022; Wei et al., 2024; Zhang et al., 2025）。过去几年，大量有益土壤细菌已被广泛应用于作物生产（Majeed et al., 2018; Gupta et al., 2022; Reed and Glick, 2023）。

最具突出类别之一的植物生长促进根际细菌（PGPR），可以增加土壤微生物种群，改善植物适应性，减少作物疾病，增强植物生长并缓解不利的环境条件（Nagrale et al., 2023; Bhat et al., 2023; Bhardwaj et al., 2023; Zhao et al., 2024; Krishnamoorthy and Subramaniam, 2025）。PGPR包括多个属，如芽孢杆菌属、假单胞菌属、自养菌属、沙雷氏菌属、链霉菌属、大肠杆菌属、红细菌属、克雷伯氏菌属等，它们被广泛应用于农业领域以促进植物生长（Kulkova et al., 2023）。这些多种特性被广泛用于农业中的生物农药、生物肥料、生物修复剂和生物防治剂，如表1所示，从而减少了对化学肥料等介质的需求（Kulkova et al., 2023）。它们适用于各种作物，由于对恶劣环境条件的卓越耐受性，有潜力革命性地改变可持续农业（Joshi et al., 2025; Bhardwaj et al., 2025）。众多研究证实了PGPR通过多种代谢途径促进植物生长和发育的能力，如植物激素产生、钾或磷的溶解效应、HCN产生、固氮、铁载体产生、吲哚-3-乙酸产生等（He et al., 2024; Olagunju et al., 2025）。随着这些PGPR和生物肥料在各商业部门的日益采用，PGPR在可持续生产中的实际应用正在得到加强，它们既带来经济效益也带来环境效益（Zhang et al., 2025）。尽管温度波动、土壤pH变化、盐度和土壤水分等多种因素可能会影响PGPR的功能表现和存活率，导致田间结果不可预测且变化不定（Ravichandran et al., 2022; Seth et al., 2023; Bhardwaj et al., 2023）。已采用多种策略来解决这些问题并保持性能的一致性。纳米技术的快速进展为PGPR的长期应用打开了新的机遇（Ding et al., 2024）。

纳米技术可以在生产可持续农业投入品方面发挥关键作用，通过为植物提供养分来改善生长、质量和产量（A. Kumar et al., 2025）。基于金属和碳的纳米材料被广泛应用，在抗逆、植物生长和发育中起着至关重要的作用。铁（Crespo Andrada et al., 2016）、钴（Eltarahony et al., 2018）、金（Tikariha et al., 2017）、钛和锌（Kumaravel et al., 2021）、银（Gopinath et al., 2017）、铜、钴、铁和锌（Zaki et al., 2021）等多种金属纳米颗粒具有强抗癌和抗微生物活性、高稳定性以及显著的生物相容性，使其成为有价值的纳米肥料（Wang et al., 2017; Yaqoob et al., 2020; Asghar et al., 2022）。作为纳米肥料，这些纳米颗粒（NPs）已被证明可以改善种子萌发、促进地上部和根系的生长、通过改善养分吸收来优化整体生长、提高抗逆能力和更高的光合作用，如图1所示，这有助于可持续农业（Nawaz and Bano, 2020; Zhang et al., 2024）。

虽然纳米颗粒也被发现具有杀菌和杀虫特性，但它们对可持续农业最显著的贡献是作为纳米肥料，直接施用以提高植物产量和生长（Das et al., 2025）。然而，尽管有这些好处，人们也对纳米颗粒的环境影响和毒性表达了担忧。由于尺寸小，纳米颗粒可以轻易穿透微生物和植物细胞膜，导致氧化应激、DNA损伤和细胞质泄漏（Ibrahim Khan and Khan, 2019; Das et al., 2025）。这些限制引发了对生物合成或绿色纳米颗粒的兴趣增加，它们是一种成本较低、安全且更具生态责任的农业选择（Nawaz and Bano, 2020; Verma et al., 2024; Sidhu et al., 2024）。绿色纳米颗粒通常稳定、球形，并天然包覆蛋白质、类黄酮或酶等物质，防止细胞破坏和聚集（Dhaka et al., 2023）。

在各种生物合成方法中，PGPR引起了特别关注，因为这些微生物可作为纳米颗粒合成的高效生物接种剂。PGPR介导的纳米颗粒对于害虫和病害控制以及提高作物产量非常有效（Gupta et al., 2023）。在根际区域，纳米颗粒提供高比表面积，增强定殖，并通过直接代谢效应和间接土壤改良途径改变PGPR的网络连通性和功能（Verma et al., 2024; Zhang et al., 2025）。这种生物基方法可能是一种改善作物生长和可持续农业发展的有前途的方式，因为许多先前研究表明纳米颗粒对生物膜形成、有益代谢物产生和细菌定殖有积极影响（Tyagi et al., 2021; Panichikkal et al., 2022）。目前，许多研究采用NPs和PGPRs的组合，在多种情况下改善土壤健康和作物产量。在这些研究中，很明显纳米颗粒会增强养分的可用性并为PGPR活性提供理想条件。因此，PGPR将能够发挥其最佳功能，这可能包括植物激素的产生和养分的溶解。

尽管关于PGPR介导的纳米颗粒的研究数量不断增加，但在农业领域尚无人对此主题进行文献计量分析。通过识别趋势、确定关键研究领域以及分析该领域增长的主要因素，本分析旨在突出基于PGPR的NPs研究的兴起。

它还将突出主要贡献者和协作网络，这些在基于PGPR的NPs相关研究的发展中发挥了重要作用，以及研究工作的地理分布。此外，研究将关注该领域的最新趋势和新兴理念，包括开发新方法及其在不同作物中使用基于PGPR的NPs控制作物病原体以提高农业产量的应用。本文献计量分析将有助于突出最新趋势和新兴研究领域。最终目标是增进我们对基于PGPR的NPs如何进一步改善农业方法并支持更具韧性和环保的全球粮食系统的理解。

# 章节摘要

## 文献计量分析

分析使用Web of Science核心合集（WoSCC）进行。Web of Science数据库提供的广泛文献数据使其成为文献计量研究的宝贵资源（Kumar et al., 2026）。数据通过以下检索字符串获取："PGPR BASED NANOPARTICLES" AND "COMBINED EFFECT OF PGPR & NANOPARTICLES"，检索的数据通过"COMBINED EFFECT OF PGPR" AND "NANOPARTICLES ON CROPS YIELDS" OR "PRODUCTIVITY" OR "SUSTAINABLE"进行筛选。

## 农业中的纳米颗粒

纳米技术是对1-100 nm范围内的单元的全面操控。这个粒径范围被称为纳米颗粒（Rajput et al., 2018）。由于其特定特性，如高反应性、高比表面积以及与土壤、植物和害虫相互作用的能力，纳米颗粒被广泛应用于农业中以提高土壤质量、增强作物产量以及控制病虫害（Islam, 2025; Sheershwal et al., 2025）。

## PGPR与纳米颗粒的协同相互作用

土壤和植物中纳米颗粒（NPs）与植物生长促进根际细菌（PGPRs）的相互作用在增强植物生长和病害控制中起着至关重要的作用（Verma et al., 2024）。当NPs和PGPRs联合使用时，根际土壤中的矿物养分含量高于单独使用PGPRs或NPs时的含量（Akhtar et al., 2021; Singh et al., 2021; Alharbi et al., 2023; Tang et al., 2023）。联合使用时，土壤硝酸盐水平增加。

## 纳米技术在作物改良中的应用

纳米颗粒与PGPR的组合使用是提高作物产量的新颖且环保技术。据报道，PGPR联合体如芽孢杆菌属、假单胞菌属、小芽孢杆菌属、肠杆菌属、根瘤菌属和沙雷氏菌属可通过绿色生物方法产生金属和金属氧化物纳米颗粒，并通过多种机制促进植物生长（Verma et al., 2024; Arshad et al., 2026）。

植物生长促进根际细菌与纳米颗粒之间的协同相互作用。

## 挑战与风险

尽管植物生长促进根际细菌介导的纳米颗粒对可持续农业很有前景，但其广泛应用面临若干挑战和风险。一个重大问题是对非目标有益土壤微生物和植物的潜在毒性（Verma et al., 2024）。基于金属的纳米颗粒，包括银纳米颗粒（AgNPs）、氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）和氧化铜纳米颗粒（CuO NPs），可能破坏微生物细胞膜，引起氧化应激，损伤DNA，并

## 结论与未来展望

关于PGPR产生的纳米颗粒的研究在过去几年中获得了很大关注。从过去十年WoS数据库获得的数据中可以看出，PGPRs和纳米颗粒在支持不利环境下的生长和调控各种植物病原菌方面非常关键，这些病原菌会导致作物产量降低。

在本文中，阐述了利用植物根际促生菌（PGPRs）开发纳米颗粒在改善土壤质量和提高植物对外源化合物耐受性方面的必要性。CRediT作者贡献声明：Deepak Kumar：撰写初稿、软件、方法论、调查研究、概念设计。Lovepreet Kaur：撰写初稿。Sarita Sheoran：撰写初稿。Sarita Dahiya：撰写初稿。Meenakshi Suhag：撰写-审阅与编辑、验证、监督、形式化分析。资金支持：作者未从任何机构获得对本提交工作的支持。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。Deepak Kumar | Lovepreet Kaur | Sarita Sheoran | Sarita Dahiya | Meenakshi Suhag