文章主题：仿生核壳微胶囊：提升非芽孢菌稳定性，增强植物耐盐性

研究团队：南京工业大学徐虹教授、王瑞教授团队、辽宁省农业科学院白伟研究员团队

影响因子：15.7

组学技术：DIA蛋白质组学、扩增子

百易汇能为本研究提供蛋白质组学服务。

全球耕地盐碱化问题日益严峻，严重制约作物产量；植物根际促生菌（PGPB）尤其是非芽孢菌可通过多种机制增强作物耐盐性，但这类菌缺乏休眠结构，在储存和田间施用过程中活性极易丧失、定殖率低，严重限制了其农业应用。为解决这一核心痛点，本研究受细菌孢子休眠结构启发，设计制备海藻酸钠 / 聚 γ- 谷氨酸 / 壳聚糖仿生核壳微胶囊，旨在通过构建低氧、致密的类生物膜微环境，提升非芽孢菌的储存稳定性与土壤存活能力，最终实现盐碱地作物抗逆性的高效提升。

图1. 核壳结构水凝胶微球提升微生物菌剂活性并增强植物耐盐性

（a）核壳微胶囊制备过程：海藻酸钠（SA）、微生物菌体与聚 γ- 谷氨酸（γ-PGA）形成类生物膜结构的水凝胶内核，再通过静电相互作用包覆壳聚糖（CS）外壳。

（b）致密的核壳结构（比例尺 = 100 μm）可限制氧气扩散。储存期间，包埋于核壳微胶囊内的细菌（比例尺 = 50 μm）因能量代谢受到抑制，聚集形成细胞菌落（比例尺 = 5 μm）。实验独立重复 3 次，结果趋势一致。气泡图中，气泡大小代表各信号通路富集的差异表达蛋白数量，气泡颜色代表P值（Fisher 精确检验）。

（c）包埋微生物菌剂促进盐胁迫下水稻生长的作用机制示意图：将游离菌剂直接施入土壤后，非生物环境胁迫与土著微生物竞争会造成菌体活性急剧下降；微胶囊可为菌剂提供防护屏障，实现菌剂缓释释放，并促进菌株在植物根际定殖。

图2. 核壳结构形成的表征分析

（a）核壳结构微胶囊形貌图。实验重复三次，结果趋势一致，仅展示代表性图片。

（b）天然原料及微胶囊的傅里叶红外光谱（FTIR）图谱。

（c）天然原料及微胶囊的 X 射线衍射（XRD）图谱。

（d）天然原料及微胶囊的热重分析曲线。

（e）天然原料及微胶囊的 X 射线光电子能谱（XPS）全谱扫描。γ-PGA (f)、壳聚糖 CS (g) 及微胶囊 (h) 的 XPSN 1s 精细谱及分峰拟合曲线。

图3. 不同结构微胶囊的表征

（a）海藻酸钠（SA）微胶囊（A）的制备。

（b）海藻酸钠 / 聚 γ- 谷氨酸微胶囊（AP）的制备。

（c）海藻酸钠 / 聚 γ- 谷氨酸 / 壳聚糖核壳微胶囊（APC）的制备。

（d）APC 微胶囊光学显微镜图，比例尺 = 200 μm。

（e）不同结构水凝胶的流变学表征。

（f）微胶囊扫描电镜图，比例尺 = 50 μm。

（g~i）分别为 A、AP、APC 微胶囊的粒径分布，每组统计 100 个微球。

（j）微胶囊氮气吸附 - 脱附等温线。

（k）微胶囊孔径分布。

（l）室温条件下微胶囊在土壤中的降解特性。

图 4 储存过程中微生物菌剂的存活活性

（a）微胶囊包埋菌株储存 12 周后的扫描电镜照片，比例尺为 5 μm。实验独立重复 3 次，结果趋势一致。

（b）游离与微胶囊包埋阿拉尔泛菌 NX-11在储存期间的存活活性。CK：游离阿拉尔泛菌 NX-11；A-NX：海藻酸钠微胶囊包埋的阿拉尔泛菌 NX-11；AP-NX：海藻酸钠 / 聚 γ- 谷氨酸微胶囊包埋的阿拉尔泛菌 NX-11；APC-NX：海藻酸钠 / 聚 γ- 谷氨酸 / 壳聚糖微胶囊包埋的阿拉尔泛菌 NX-11。

（c）游离态与核壳微胶囊包埋产酶溶杆菌 OH11储存期间的存活活性。

（d）游离态与核壳微胶囊包埋硝基还原假单胞菌 L16储存期间的存活活性。图 b~d 数据均为平均值 ± 标准差，设置 3 个生物学重复。

（e）蛋白质组学数据的主成分分析（PCA）。

（f）CK-12W 组（储存 12 周的游离阿拉尔泛菌 NX-11）与 CK-0W 组（新鲜阿拉尔泛菌 NX-11）蛋白表达谱的火山图。

（g）APC-12W 处理组（APC 微胶囊包埋并储存 12 周的阿拉尔泛菌 NX-11）与 CK-12W 处理组之间的蛋白表达谱火山图。图中红点、蓝点和灰点分别代表显著上调、显著下调及无显著差异的蛋白。

（h）APC-12W 与 CK-12W 组间下调差异表达蛋白的 KEGG 通路富集气泡图。

（i）CK-12W 与 CK-0W 组间上调差异表达蛋白的 KEGG 通路富集气泡图。气泡大小表示各信号通路中富集的差异表达蛋白数量，气泡颜色代表p值。

（j）储存过程中微胶囊包埋所调控的生化代谢通路（包括氧化磷酸化与三羧酸 TCA 循环）；不同颜色依据 log₂倍数变化值表征蛋白表达水平，其中蓝色代表蛋白下调、红色代表蛋白上调。

图5. 盐胁迫下包埋微生物菌剂对不同作物生长的影响

（a）温室试验设计方案。不同处理下温室栽培水稻幼苗的生长表型 (b)、株高 (c)、干重 (d)、SOD 活性 (e)、CAT 活性 (f)、POD 活性 (g)（设 5 个生物学重复）。不同处理下番茄 (h)、玉米 (i)、生菜 (j)的生长状况。(k) 盐碱大田水稻生长表型；不同处理下盐碱大田水稻的千粒重 (l) 及产量 (m)。

大田试验每处理设置 3 个独立小区（小区面积 6.0 m × 4.0 m，3 个生物学重复），每小区选取 5 个点位、共采集 50 株植株样品。

处理分组说明：C：空白对照组，无任何处理作物；S：盐胁迫对照组，盐胁迫下不接种菌剂；NX-S：盐胁迫下接种游离阿拉尔泛菌 NX-11；M-S：盐胁迫下接种空白 APC 微胶囊；APC-S：盐胁迫下接种 APC 微胶囊包埋的阿拉尔泛菌 NX-11。

图6. 盐胁迫下 APC 微胶囊包埋 NX-11 对水稻根际土壤细菌群落组成的影响

（a）表征细菌α 多样性的 Shannon 香农指数。

（b）基于 Bray-Curtis 距离的细菌群落β 多样性主坐标分析（PCoA）。

（c）优势细菌门的相对丰度（%）。

（d）前 80 个优势菌属相对丰度的热图。

（e）采用 LDA 差异判别分析筛选不同处理间水稻根际差异菌群，仅展示 LDA 阈值大于 3.2 的物种。

（f）不同处理中 NX-11（ASV2786）的相对丰度。

（g）分别接种游离 GFP 标记 NX-11（NX）与 APC 微胶囊包埋 GFP-NX-11 后水稻根系的激光共聚焦显微图像（LSCM）。实验独立重复 3 次，结果趋势一致。

（h）APC 微胶囊对 NX-11 在水稻根系定殖数量的影响。

NX：游离 NX-11 菌株；APC-NX：APC 微胶囊包埋 NX-11 菌株。

本图箱线图中：中线为中位数，箱体上下边缘分别为上、下四分位数（25%、75% 分位数），须线延伸至数据最大值与最小值，设 5 个生物学重复；图 h 数据以平均值 ± 标准差表示，设 3 个生物学重复。图 a、f 中不同小写字母代表处理间差异显著（单因素方差分析 + Tukey HSD 多重比较，p<0.05，原始数据附具体p值）；图 h 组间均值差异采用双尾 t 检验进行统计分析。

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