根据麻省理工学院的一项新研究,为种子提供一层保护层,同时也为正在发芽的植物提供必要的营养物质,这可能使作物能够在其他贫瘠的土壤中生长。

一组工程师用蚕丝包裹种子,蚕丝经过一种自然产生氮肥的细菌处理,以帮助发芽的植物生长。试验表明,这些种子可以在含盐量过高的土壤中成功生长,使未经处理的种子无法正常发育。研究人员希望,这一过程可以在不需要专门设备的情况下,以低廉的成本进行,从而为那些现在被认为不适合农业生产的土地开辟一片新的土地。

研究结果发表在本周的《美国国家科学院院刊》上,由研究生Augustine Zvinavashe ‘ 16和Hui Sun、博士后Eugen Lim和土木与环境工程Benedetto Marelli教授共同撰写。

这项工作源于Marelli之前的一项研究,即使用蚕丝涂层来延长作为粮食作物的种子的保质期。他说:“我在做这方面的研究时,偶然发现了可以用来增加土壤养分的生物肥料。”这些肥料利用与某些植物共生的微生物,把空气中的氮转化成一种很容易被植物吸收的形式。

这不仅为作物提供了一种天然肥料,而且避免了与其他施肥方法相关的问题。马莱尔利说,这些人工肥料也可能对土壤质量产生负面影响。

虽然这些固氮细菌在世界各地的土壤中自然存在,但在不同的地区发现了不同的地方品种,它们在自然土壤环境之外很难保存。但是蚕丝可以保存生物材料,所以马瑞里和他的团队决定在这些固氮细菌上进行试验,这些细菌被称为根细菌。

他说:“我们想到了把它们用在我们的种子涂层上,一旦种子在土壤里,它们就会复活。”然而,初步测试结果并不理想;细菌并没有像预期的那样被保存下来。

正是在这个时候,兹维纳瓦什想到了在这种混合物中添加一种特殊的营养物质,一种被称为海藻糖的糖,一些生物利用海藻糖在低水条件下生存。蚕丝、细菌和海藻糖都悬浮在水中,研究人员只需将种子浸泡几秒钟,就能得到均匀的保护层。然后,这些种子在麻省理工学院和摩洛哥本盖尔的穆罕默德六世理工大学的一个研究机构进行了测试。Zvinavashe说:“这表明这项技术效果很好。”

Marelli说,在细菌持续施肥的帮助下,这些植物比未经处理的种子生长得更健康,并在目前不适合农业生产的土地上成功生长。

研究人员说,实际上,这种涂层可以通过浸渍或喷涂的方式涂在种子上。两种方法均可在常温常压下进行。Zvinavashe说,“这个过程快速、简单,而且可能是可扩展的”,允许更大的农场和不熟练的种植者使用它。“种子只需浸涂几秒钟,”就能产生只有几微米厚的涂层。

他们使用的普通丝绸“是水溶性的,所以一旦暴露在土壤中,细菌就会被释放出来,”Marelli说。尽管如此,这种保护层还是提供了足够的保护和养分,使种子能够在含盐量正常的土壤中发芽,而这通常会阻碍种子的正常生长。他说:“我们确实看到一些植物生长在土壤里,而其他地方什么也没有。”

这些rhizobacteria通常提供肥料豆类作物,如常见的豆和鹰嘴豆,和那些迄今为止研究的焦点,但它可能会适应他们的工作与其他类型的作物,这是团队正在进行的研究的一部分。他说:“将根杆菌的应用扩展到非豆科作物上是一个巨大的推动力。”他说,实现这一目标的方法之一可能是修改细菌、植物或两者的DNA,但这可能不是必须的。

他说:“我们的方法对植物和细菌的种类几乎是不可知的,”而且它可能是可行的,“稳定、封装和运送(细菌)到土壤中,因此它对其他种类的植物发芽也变得更有利。”

即使仅限于豆类作物,该方法仍然可以对大面积盐碱地地区产生显著影响。“基于我们在摩洛哥合作的兴奋,”Marelli说,“这将会非常有影响力。”

下一步,研究人员正致力于开发新的涂层,不仅可以保护种子免受盐碱地的侵害,而且还可以利用从土壤中吸收水分的涂层使种子更耐旱。与此同时,明年他们将开始在摩洛哥的开放试验田进行种植试验;他们之前的种植都是在室内进行的,条件更加可控。

这项研究得到了穆罕默德六世大学-麻省理工学院研究项目、海军研究办公室、研究生奖学金和研究主任办公室的部分支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/coated-seeds-agriculture-marginal-lands-1125