麻省理工学院工程师团队用经过细菌处理的蚕丝包裹种子，帮助种子在不适宜耕作的土壤中发芽
他们目前正在研发新型涂层，利用可从土壤中吸收水分的涂层，使种子更能耐受干旱
麻省理工学院的一项新研究表明，为种子提供一层保护涂层，同时为发芽中的植物供应必需养分，可能使在原本不适宜耕作的土壤中种植作物成为可能。
一个工程师团队用经过一种细菌处理的蚕丝包裹种子，这种细菌能自然产生氮肥，以帮助发芽的植物生长。测试表明，这些种子能够在盐分过高、未经处理的种子无法正常生长的土壤中成功生长。研究人员希望，这一工艺成本低廉，无需专用设备即可应用，可能使目前被认为不适宜农业生产的土地得以用于耕种。
相关研究成果本周发表于期刊《PNAS》，论文作者为研究生Augustine Zvinavashe（’16届）和Hui Sun、博士后Eugen Lim，以及土木与环境工程教授Benedetto Marelli。
这项工作源于Marelli此前的研究，即利用蚕丝涂层延长用作粮食作物的种子的保质期。“在做相关研究时，我偶然发现了生物肥料，它可用于增加土壤中的养分含量，”他说。这类肥料利用与某些植物共生的微生物，将空气中的氮转化为植物易于吸收的形态。
他表示，这不仅能为农作物提供天然肥料，还避免了其他施肥方式所带来的问题：“氮肥的一大问题是对环境影响很大，因为其生产过程非常耗能。”Marelli还指出，这类人工肥料也可能对土壤质量产生负面影响。
尽管这些固氮细菌天然存在于世界各地的土壤中，不同地区发现的本地品种各不相同，但它们在自然土壤环境之外很难保存。然而，蚕丝能够保存生物材料，因此Marelli及其团队决定尝试将其应用于这些被称为根瘤菌的固氮细菌。
“我们想到将它们用于种子涂层，种子一旦进入土壤，细菌就会重新活化，”他说。不过，初步测试效果并不理想，细菌的保存效果未达预期。
这时，Zvinavashe想到在混合物中加入一种特定养分，即一种被称为海藻糖的糖类，某些生物正是利用它在低水环境中存活。蚕丝、细菌和海藻糖均悬浮于水中，研究人员只需将种子在溶液中浸泡数秒，即可形成均匀的涂层。随后，种子分别在麻省理工学院以及摩洛哥本吉尔的穆罕默德六世理工大学运营的一个研究设施中进行了测试。“结果表明，该技术效果非常好，”Zvinavashe说。
Marelli表示，在细菌持续产生肥料的帮助下，所长出的植株比未经处理种子长出的植株更为健壮，并且能在目前不适宜农业生产的农田土壤中成功生长。
研究人员表示，在实际应用中，此类涂层可通过浸涂或喷涂的方式施加于种子上。两种工艺均可在常温常压下进行。“该工艺快速、简便，而且可能具有规模化应用的潜力”，使大型农场和缺乏专业技能的种植者也能使用，Zvinavashe说。“种子只需浸涂数秒即可完成”，形成的涂层厚度仅为几微米。
Marelli表示，他们所用的普通蚕丝“可溶于水，因此一旦接触土壤，细菌便会释放出来”。不过，该涂层仍能提供足够的保护和养分，使种子能够在盐度通常会阻碍其正常生长的土壤中发芽。“我们确实看到，植物在原本寸草不生的土壤中生长，”他说。
这些根瘤菌通常为豆类作物（如菜豆和鹰嘴豆）提供肥料，目前的研究也主要集中于此类作物，但或许也能对其加以改造，使其适用于其他类型的作物，这也是团队正在进行的研究内容之一。“目前大力推动将根瘤菌的应用扩展到非豆类作物，”他说。他表示，实现这一目标的一种方法可能是修改细菌、植物或两者的DNA，但这未必是必需的。
“我们的方法几乎不受植物和细菌种类的限制，”他说，并且，将细菌“稳定、包封并输送至土壤中，使其对其他种类植物的发芽更为有利”，或许也是可行的。
即便仅限于豆类作物，该方法仍可能对盐碱土壤面积较大的地区产生显著影响。“基于我们在摩洛哥合作中所见的积极反响，”Marelli说，“这可能会产生非常大的影响。”
下一步，研究人员正致力于开发新型涂层，不仅能保护种子免受盐碱土壤的影响，还能利用可从土壤中吸收水分的涂层，使种子更能耐受干旱。与此同时，明年他们将开始在摩洛哥的露天试验田进行试种；此前的种植均在条件更为可控的室内进行。
该研究得到了穆罕默德六世理工大学–麻省理工学院研究项目、美国海军研究办公室以及研究生奖学金和研究办公室的部分支持。
