DOI: https://doi.org/10.1007/s11368-026-04232-w
تاريخ النشر: 2026-02-01
المؤلف: Rahat Shabir وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على دور بكتيريا الجذور المعززة لنمو النباتات (PGPR) كبدائل صديقة للبيئة للأسمدة الكيميائية والمبيدات في الزراعة. يسلط الضوء على قيود الحوامل التقليدية المعتمدة على الخث، والتي تعتبر غير متجددة، ويستعرض مواد حوامل بديلة متنوعة يمكن أن تعزز من قابلية الميكروبات والأداء. تشمل المراجعة منشورات من 2000 إلى 2025، مع التركيز على تأثير الركائز المعدنية، والمواد العضوية، والبيوچار، والمخلفات الزراعية الصناعية، والبوليمرات الحيوية، والمواد النانوية على بقاء PGPR، وعمرها الافتراضي، واستجابة المحاصيل، وتحمل الإجهاد.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن الحوامل المعتمدة على المعادن مثل التلك والكاولين تحسن من استقرار التخزين، بينما تدعم المخلفات العضوية مثل اللجنيت والسماد المتحلل بقاء الميكروبات على المدى الطويل وثبات النيتروجين. يُلاحظ أن البيوچار يتميز بقدرته العالية على الاحتفاظ بالماء، مما يعزز من استعمار الجذور، بينما تسهل البوليمرات الحيوية من تغليف الميكروبات. تظهر المواد النانوية وعدًا في حماية PGPR من الإجهاد غير الحيوي، على الرغم من استمرار مشاكل القابلية للتوسع. تؤكد الخاتمة على الحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين هذه الحوامل البديلة من حيث الجدوى الاقتصادية والسلامة البيئية، ومعالجة التحديات المتعلقة بجودة اللقاح، وتكاليف الإنتاج، والتأثيرات البيئية، خاصة بالنسبة لأنظمة الحوامل النانوية. بشكل عام، يعتبر تطوير حوامل خالية من الخث أمرًا حيويًا لتقدم تكنولوجيا PGPR وتعزيز الممارسات الزراعية المستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الهام لبكتيريا الجذور المعززة لنمو النباتات (PGPR) في تعزيز صحة النباتات وإنتاجيتها، مما يؤدي إلى زيادة الاهتمام بتطوير لقاحات PGPR المستندة إلى الزراعة المستدامة. تهدف هذه اللقاحات، التي تجمع بين سلالات بكتيرية مفيدة ومواد حوامل، إلى تحسين توصيل البكتيريا وفعاليتها في منطقة الجذور. تشمل الخصائص الرئيسية لـ PGPR تثبيت النيتروجين، وتحلل الفوسفات، وتحمل الإجهاد؛ ومع ذلك، يمكن أن تتعرض وظيفتها للخطر تحت الضغط البيئي، مما يبرز أهمية مواد الحوامل التي لا تدعم فقط قابلية البكتيريا للحياة ولكن أيضًا تعزز فعاليتها في تعزيز مرونة المحاصيل.
تاريخيًا، كانت لقاحات PGPR عبارة عن تعليقات بكتيرية بسيطة، لكن التقدم أدى إلى تطوير تركيبات سائلة وصلبة. بينما تعتبر اللقاحات السائلة أسهل في المعالجة، تواجه تحديات مثل ضعف تحمل الإجهاد غير الحيوي وارتفاع تكاليف التخزين، خاصة في البلدان النامية. في المقابل، أظهرت اللقاحات الصلبة، التي تستخدم مواد حوامل متنوعة، مزايا من حيث التوافق البيولوجي والحماية أثناء التخزين والتطبيق. تؤكد المراجعة على الحاجة إلى مواد حوامل مثالية تلبي معايير محددة، بما في ذلك الميزات الهيكلية، والبيئات الغنية بالمغذيات، والجدوى الاقتصادية. على الرغم من الاستخدام الواسع للخث كحامل، فإن قيوده تستدعي استكشاف مواد بديلة، خاصة المواد النانوية، التي أظهرت وعدًا في تغليف الخلايا الميكروبية وتنظيم نشاطها. تهدف الورقة إلى تجميع الأبحاث الحالية حول مواد الحوامل البديلة للقاحات PGPR، مع التركيز على خصائصها الوظيفية وتأثيراتها الزراعية، بينما تحدد أيضًا التحديات والاتجاهات البحثية المستقبلية في سياق اللقاحات المعتمدة على الحوامل النانوية للزراعة المستدامة.
طرق
تناقش هذه القسم مواد حوامل بديلة متنوعة للقاحات بكتيريا الجذور المعززة لنمو النباتات (PGPR)، مع تسليط الضوء على قيود الحوامل التقليدية المعتمدة على الخث والفوائد المحتملة للمواد الجديدة. يتم تصنيف مواد الحوامل حسب تركيبها الكيميائي، ومصدرها، وشكل تطبيقها، مع التركيز على الخصائص الكبيرة والصغيرة. أظهرت الحوامل المعتمدة على المعادن، مثل التلك والكاولين والفيرميكوليت، نتائج واعدة في الحفاظ على قابلية الميكروبات للحياة لفترات طويلة، حيث تشير الدراسات إلى أن هذه المواد يمكن أن تدعم أعدادًا بكتيرية عالية وتحمي من الضغوط البيئية. على سبيل المثال، حافظ الفيرميكوليت على تجمعات قابلة للحياة من البكتيريا المفيدة مقارنة بالخث، بينما قمعت التركيبات المعدنية المختلطة بفعالية مسببات الأمراض النباتية.
بالإضافة إلى ذلك، تم استكشاف المواد العضوية المتحللة، بما في ذلك السماد والمخلفات الزراعية، لقدرتها على تعزيز قابلية الميكروبات للحياة وتعزيز نمو النباتات. تشير الأبحاث إلى أن هذه المواد يمكن أن تحسن من ظروف التربة وتوافر المغذيات، على الرغم من أنها قد تقدم أيضًا تحديات مثل تلوث مسببات الأمراض. يُكتسب البيوچار، المشتق من الكتلة الحيوية المحترقة، اهتمامًا بسبب استدامته وقدرته على خلق موائل ميكروبية ملائمة، على الرغم من أن تطبيقه العملي قد يكون محدودًا بتكاليف الإنتاج. تؤكد هذه القسم على الحاجة إلى البحث المستمر لتحسين الخصائص الفيزيائية لهذه الحوامل البديلة ومعالجة قيودها، بهدف تعزيز فعالية لقاحات PGPR في الأنظمة الزراعية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التطبيقات الواعدة لمواد النانو المختلفة، بما في ذلك السيليكا، والأطر العضوية المعدنية (MOFs)، والفوسفات الكالسيومي (CaPi)، في تغليف الميكروبات لأغراض زراعية وتكنولوجية حيوية. تم استخدام قشور السيليكا، التي تتميز بتوافقها الحيوي وقابليتها للتعديل، بشكل فعال لحماية الميكروبات مثل *Bacillus velezensis* و*Azotobacter vinelandii* من الضغوط البيئية، مما يعزز من فائدتها في أجهزة الاستشعار الحيوية والمفاعلات الحيوية. وبالمثل، تظهر MOFs، وخاصة إطار الإيميدازولات الزيوليتية-8 (ZIF-8)، توافقًا حيويًا ممتازًا وقابلية للتعديل، مما يجعلها مناسبة لتغليف مجموعة متنوعة من الميكروبات مع تحسين استقرارها وقابليتها للحياة. تناقش هذه القسم أيضًا إمكانية قشور البوليمر، التي تستخدم تجميع الطبقات (LBL) لتشكيل طلاءات واقية حول الخلايا الميكروبية، مما يسهل الإطلاق المنضبط ويعزز من مرونة الميكروبات.
على الرغم من التقدم في تكنولوجيا قشور النانو، تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من البحث لمعالجة التحديات المتعلقة بالجدوى التجارية لهذه الحوامل النانوية. تشمل القضايا الرئيسية ضمان بقاء الميكروبات على المدى الطويل بعد التغليف، وتقليل تكاليف الإنتاج، وتقييم السلامة البيئية للمواد النانوية. يدعو المؤلفون إلى إجراء تجارب ميدانية شاملة لتقييم فعالية لقاحات بكتيريا الجذور المعززة لنمو النباتات (PGPR) المعتمدة على الحوامل النانوية تحت ظروف زراعية واقعية. بشكل عام، بينما تم إحراز تقدم كبير في تطوير مواد حوامل بديلة، لا يزال الانتقال من البحث في المختبر إلى التطبيق العملي معقدًا، مما يتطلب الابتكار المستمر والتقييم في هذا المجال الناشئ.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11368-026-04232-w
Publication Date: 2026-02-01
Author(s): Rahat Shabir et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
The section provides an overview of the role of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) inoculants as eco-friendly alternatives to chemical fertilizers and pesticides in agriculture. It highlights the limitations of traditional peat-based carriers, which are non-renewable, and reviews various alternative carrier materials that can enhance microbial viability and performance. The review encompasses publications from 2000 to 2025, focusing on the impact of mineral substrates, organic materials, biochar, agro-industrial residues, biopolymers, and nanomaterials on PGPR survival, shelf life, crop response, and stress tolerance.
Key findings indicate that mineral-based carriers like talc and kaolin improve storage stability, while organic residues such as lignite and composted manures support long-term microbial survival and nitrogen fixation. Biochar is noted for its high porosity and water retention, enhancing root colonization, while biopolymers facilitate microbial encapsulation. Nanomaterials show promise for protecting PGPR against abiotic stress, although scalability issues persist. The conclusion emphasizes the need for further research to optimize these alternative carriers for cost-effectiveness and ecological safety, addressing challenges related to inoculant quality, production costs, and environmental impacts, particularly for nanocarrier systems. Overall, the development of peat-free carriers is deemed crucial for advancing PGPR technology and promoting sustainable agricultural practices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) in enhancing plant health and productivity, leading to increased interest in developing PGPR-based inoculants for sustainable agriculture. These inoculants, which combine beneficial bacterial strains with carrier materials, aim to improve bacterial delivery and effectiveness in the rhizosphere. Key properties of PGPR include nitrogen fixation, phosphate solubilization, and stress tolerance; however, their functionality can be compromised under environmental stress, underscoring the importance of carrier materials that not only support bacterial viability but also enhance their efficacy in promoting crop resilience.
Historically, PGPR inoculants were simple bacterial suspensions, but advancements have led to the development of liquid and solid formulations. While liquid inoculants are easier to process, they face challenges such as poor abiotic stress tolerance and high storage costs, particularly in developing countries. In contrast, solid inoculants, which utilize various carrier materials, have shown advantages in terms of biological compatibility and protection during storage and application. The review emphasizes the need for optimal carrier materials that meet specific criteria, including structural features, nutrient-rich environments, and cost-effectiveness. Despite the widespread use of peat as a carrier, its limitations necessitate the exploration of alternative materials, particularly nanomaterials, which have shown promise in encapsulating microbial cells and regulating their activity. The paper aims to synthesize current research on alternative carrier materials for PGPR inoculants, focusing on their functional properties and agronomic impacts, while also identifying challenges and future research directions in the context of nanocarrier-based inoculants for sustainable agriculture.
Methods
The section discusses various alternative carrier materials for plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) inoculants, highlighting the limitations of traditional peat-based carriers and the potential benefits of new materials. Carrier materials are categorized by their chemical composition, source, and application form, with a focus on macroscale and microscale properties. Mineral-based carriers, such as talc, kaolin, and vermiculite, have shown promising results in maintaining microbial viability over extended periods, with studies indicating that these materials can support high bacterial counts and protect against environmental stressors. For instance, vermiculite maintained viable populations of beneficial bacteria comparable to peat, while mixed mineral formulations effectively suppressed plant pathogens.
Additionally, decayed organic materials, including compost and agricultural by-products, have been explored for their ability to enhance microbial viability and promote plant growth. Research indicates that these materials can improve soil conditions and nutrient availability, although they may also introduce challenges such as pathogen contamination. Biochar, derived from pyrolyzed biomass, is gaining attention for its sustainability and ability to create favorable microhabitats for microbes, although its practical application may be limited by production costs. The section emphasizes the need for ongoing research to optimize the physical properties of these alternative carriers and to address their limitations, ultimately aiming to enhance the effectiveness of PGPR inoculants in agricultural systems.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the promising applications of various nanoshell materials, including silica, metal-organic frameworks (MOFs), and calcium phosphate (CaPi), in encapsulating microorganisms for agricultural and biotechnological purposes. Silica nanoshells, characterized by their biocompatibility and modifiability, have been effectively used to protect microorganisms like *Bacillus velezensis* and *Azotobacter vinelandii* from environmental stressors, enhancing their utility in biosensors and bioreactors. Similarly, MOFs, particularly zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8), exhibit excellent biocompatibility and tunability, making them suitable for encapsulating various microorganisms while improving their stability and viability. The section also discusses the potential of polymeric nanoshells, which utilize layer-by-layer (LBL) assembly to form protective coatings around microbial cells, facilitating controlled release and enhancing microbial resilience.
Despite the advancements in nanoshell technology, the paper emphasizes the need for further research to address challenges related to the commercial viability of these nanocarriers. Key issues include ensuring long-term microbial survival post-encapsulation, reducing production costs, and evaluating the environmental safety of nanomaterials. The authors advocate for comprehensive field trials to assess the efficacy of nanocarrier-based plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) inoculants under realistic agricultural conditions. Overall, while significant progress has been made in developing alternative carrier materials, the transition from laboratory research to practical application remains complex, necessitating ongoing innovation and evaluation in this emerging field.