登上Cell子刊封面：南京農業大學沈其榮院士揭示根際細菌促進作物鐵吸收的機制

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

現代農業面臨的最大挑戰之一是——如何利用有限的土地資源持續養活快速增長的人口。全球約 30% 的耕地為石灰性土壤，其特點是 pH 值高、重碳酸鹽含量高。在這些土壤中，作物常常出現葉黃化現象，產量和質量下降，原因是鐵（Fe）的生物利用度差。此外，作物缺鐵會降低膳食鐵的攝入量，導致貧血、疲勞、不良妊娠結局以及兒童認知發育受損。因此，缺鐵是全球最常見的微量營養素缺乏癥之一，影響著超過 20 億人。

為解決食物中鐵元素可能缺乏的問題，人們采取了諸如食物補充、農藝措施、常規育種以及轉基因手段等策略來緩解營養不良狀況。然而，這些方法各具局限性，包括成本高昂、環境污染、實施周期長以及公眾接受度低等。越來越多的證據表明，微生物生物強化為提高植物中鐵的可利用度提供了一種經濟高效且環境可持續的策略。

近日，南京農業大學沈其榮院士、徐志輝教授團隊（談泰猛、徐志輝為論文共同第一作者，徐志輝為論文共同通訊作者）在 Cell 子刊Cell Reports上發表了題為：Siderophore-mediated iron enrichment in the biofilm matrix enhances plant iron nutrition 的研究論文，該研究還被選為當期封面論文。

該研究首次將細菌的鐵載體合成與生物膜形成這兩個促生機制聯系起來，揭示了它們協同促進植物鐵吸收的新機制。更重要的是，大規模田間試驗證實，根際細菌貝萊斯芽孢桿菌SQR9菌株能夠顯著促進不同作物在堿性土壤中生長，提高作物產量（平均增產 10% 以上），從而為微生物肥料研發提供了重要的理論依據。

該研究揭示了根際細菌貝萊斯芽孢桿菌 SQR9 菌株中細菌鐵載體產生與生物膜形成特性之間的強耦合關系，這種耦合作用增強了植物對鐵元素的吸收。該研究還強調了該機制在鐵限制條件下改善植物生長性能的潛力。封面圖片描繪了藍色的細菌“礦工”在植物根際周圍工作的場景，將不溶性鐵（紅色表示）轉化為生物可利用形態（金色表示），象征微生物促進農作物鐵元素獲取的過程。

植物有益微生物經常被報道能夠改善植物的鐵營養狀況，但其確切的作用機制至今仍不甚明確。盡管細菌鐵載體的產生和生物膜的形成都有助于促進植物生長，但以往對這兩個特性都是分開研究的。

在這項新研究中，研究團隊通過利用具有生物膜形成能力的根際細菌貝萊斯芽孢桿菌SQR9菌株，揭示了細菌的鐵載體產生和生物膜形成這兩種特性在增強植物鐵吸收方面的強耦合關系。

該研究證明了 SQR9 的生物膜能在植物根部富集鐵元素，起到鐵儲備庫的作用。關鍵在于，鐵載體 Bacillibactin 既能促使生物膜從環境中富集鐵，又能同時刺激植物的鐵吸收機制。大規模田間試驗證實，SQR9 在堿性土壤中能夠促進作物生長，提高作物產量（平均增產 10% 以上），凸顯了其在改善鐵限制條件下植物生長表現的潛力。

該研究的核心發現：

• 貝萊斯芽孢桿菌SQR9菌株的生物膜在植物根部積累鐵，并充當鐵儲存庫；

• 被 SQR9 定殖的植物根系通過鐵載體激活了缺鐵響應；

• 鐵載體 Bacillibactin 有助于生物膜中的鐵積累，并激活根系對鐵的吸收；

• 在田間試驗中，SQR9 的應用極大地提高了堿性土壤中的作物產量。

總的來說，這項研究強調了植物根際細菌鐵載體和生物膜在鐵吸收中的關鍵作用，并為針對作物缺鐵的微生物生物強化策略提供了機制層面的見解。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01252-5