空气中78%是氮气，却长期无法被农作物直接利用。国家纳米科学中心曹宇虹团队与中国科学院生态环境研究中心朱永官院士团队联合攻克了叶面固氮菌难以在恶劣环境下存活的难题，利用纳米技术为固氮细菌穿上“防护衣”，在田间实验中实现了水稻增产27.14%的显著效果。相关成果于近日以Stable foliar colonization of nanocoated nitrogen-fixing bacteria enhances crop nitrogen supply为题发表在国际知名食品科技期刊Nature Food在线发表了这一领域的突破性成果。
图1：纳米涂层包覆固氮菌的制备及应用示意图
从根部到叶面的技术跨越
长期以来，农业生产高度依赖化学氮肥，这虽然提升了产量，但也导致了土壤退化、水体富营养化及温室气体排放等环境问题。虽然生物固氮（BNF）是自然的解决方案，但以往的研究多集中在根系。植物叶片表面积巨大，本应是固氮的理想场所，但叶面强紫外线、干旱及雨水冲刷等恶劣环境，让固氮细菌难以存活和定植。
核心突破：纳米涂层技术（W12-TA-Fe-SA）
针对这一难题，研究团队开发了一种基于金属-多酚网络（MPN）和海藻酸钠（SA）的纳米涂层技术。他们以Klebsiella variicola W12为模式菌株，通过自组装方式为其穿上了一层纳米“战衣”。
a
b
图2：裸露及纳米涂层包覆的W12固氮菌扫描电镜图（a）和透射电镜图（b）
这层纳米涂层具有多重防护功能：
- 抗逆性增强：
有效抵御紫外线辐射、氧化应激和干旱缺水，细菌在紫外线下的存活率大幅提升。
- 粘附力提升：
能够抵抗雨水冲刷，使细菌牢牢“抓”在叶片表面，定植量比未处理细菌提高了3.3倍。
- 持续固氮：
在叶面上形成的生物膜结构，让细菌能持续将空气中的氮转化为作物可吸收的铵态氮。
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Brightfield W12-GFP Merge
naked W12
b
nanocoated W12
图3：基于纳米涂层的策略促进固氮细菌在水稻叶际的定植。
田间实测：减施化肥，产量不减反增
更为重要的是，该技术在实际生产中展现了巨大潜力。同位素示踪分析显示，经过曹宇虹与朱永官团队研发的纳米涂层处理后的细菌，为水稻贡献了高达27.89%的氮素来源，是传统未处理细菌的两倍以上。在全周期的田间试验中，水稻籽粒产量增加了27.14%; 植株总氮含量提升了28.09%;估算每公顷可替代约74.38公斤的化学氮肥，每公顷可减少环境成本约197.2美元。该研究成果为利用叶面微生物组减少化学肥料使用、实现农业绿色可持续发展提供了全新的技术路径。
图4：不同处理条件下基于纳米涂层的接种处理对水稻生长、产量及叶际微生物群的影响。
a–e，经过54天水培培养后水稻植株状态(a)、株高(b)、鲜重(c)、氮含量(d)和叶片叶绿素含量(e)。水稻叶片用细菌悬浮液（OD = 0.8）喷洒四次。f–i，田间试验中，魅两优水稻的植株生物量(f)、籽粒干重(g)、表型(h)和氮含量(i)。
曹宇虹课题组（国家纳米科学中心）:研究方向为新型纳米材料在提升农作物生产效能与作物育种技术革新中的应用，以实现农业可持续发展与全球粮食安全。欢迎已获得或短期内可获得植物育种，植物病毒和发育生物学、分子生物学、微纳加工、化学工程、生物医药工程、材料科学与工程等相关专业博士学位的有志科研之士申请博士后，同时也欢迎对上述研究方向感兴趣的志愿读博士的学生加入。申请者请投递个人简历至caoyh@nanoctr.cn。
论文链接:
https://doi.org/10.1038/s43016-025-01280-2
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