Микроигольная система доставляет биоудобрение прямо в растения, ускоряя рост с меньшими отходами

Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) разработали растворяющиеся микроигольные пластыри, которые доставляют живые микроорганизмы «биоудобрения» прямо в ткани растений. В тепличных испытаниях Чой Сум и Кале росли быстрее (по биомассе побегов, площади листьев и высоте), при этом расход биоудобрения был более чем на 15% меньше, чем при стандартном внесении в почву.

Этот подход открывает путь к более точному внесению удобрений, меньшим отходам и потенциально снижению воздействия на окружающую среду. В ближайшей перспективе метод подходит для городских и вертикальных ферм, а также для ценных культур, которым полезны контролируемые дозы.

Биоудобрения, содержащие полезные бактерии и грибы, помогающие растениям усваивать питательные вещества и противостоять стрессу, обычно вносят в почву. Там им приходится конкурировать с местными микробами, а кислотность и другие условия могут им мешать. Значительная часть внесённых микроорганизмов никогда не достигает корней. Новый метод, разработанный командой NUS, доставляет полезные бактерии или грибы прямо в листья или стебли, обходя эти препятствия и ускоряя ранний рост.

«Вдохновившись тем, как микробы могут мигрировать в теле человека, мы предположили, что доставка полезных микробов прямо в ткани растения, например, в лист или стебель, позволит им добраться до корней и выполнять свою функцию, но гораздо эффективнее и с меньшей уязвимостью к почвенным условиям», — сказал доцент Энди Тэй, руководивший работой.

Исследование было опубликовано в Advanced Functional Materials 13 сентября 2025 года.

Щадящая доставка

Команда изготовила микроиглы для растений из поливинилового спирта (PVA) — биоразлагаемого недорогого полимера. Для листьев пластырь размером 1 см × 1 см содержит массив 40 × 40 пирамидок длиной около 140 мкм, а для более толстых стеблей подходит короткий ряд игл длиной примерно 430 мкм. Микробы смешивают с раствором PVA, отливают в крошечные формы и фиксируют в кончиках игл. При нажатии пальцем или с помощью простого ручного аппликатора, равномерно распределяющего давление, иглы проникают в ткань растения и растворяются примерно за минуту, высвобождая свой микробный груз.

В лабораторных тестах пластырь практически не нарушал ткань или функции растения. Неглубокие вмятины на листьях исчезали в течение двух часов; показатели хлорофилла оставались стабильными; а экспрессия генов стрессового ответа, которая кратковременно повышалась после введения, возвращалась к исходному уровню в течение 24 часов.

Пластыри сохраняли высокую жизнеспособность микробов при хранении до четырёх недель — это означает, что их можно готовить заранее. Важно, что концентрация загрузки соответствовала доставляемой дозе, что позволяет контролировать внесение, чего сложно добиться в почве. 3D-печатный аппликатор обеспечивал равномерное введение на больших площадях листа и в будущем может стать частью роботизированных систем.

Доказательство концепции

Команда NUS показала, что доставка через листья или стебли коктейля из ризобактерий, стимулирующих рост растений (PGPR), включающего Streptomyces и Agromyces-Bacillus, улучшала рост Чой Сум и Кале по сравнению с необработанными контрольными растениями и давала лучшие результаты, чем обработка почвы микробами. PGPR обычно используются для улучшения усвоения питательных веществ и стимуляции гормонов роста растений.

Кроме того, растения росли лучше по мере увеличения количества микробов в каждом пластыре, вплоть до эффективного потолка. Превышение этой дозы не помогало растениям расти дальше. Это позволяет производителям определять минимальную эффективную дозу, что снижает затраты и отходы.

«Наша микроигольная система успешно доставила биоудобрение в Чой Сум и Кале, улучшив их рост более эффективно, чем традиционные методы, при использовании более чем на 15% меньше биоудобрения», — сказал доцент Тэй. — «Под более быстрым ростом мы подразумеваем больший общий вес растения, большую площадь листьев и большую высоту растения».

Команда проследила, как бактерии перемещались из инъецированных листьев к корням в течение нескольких дней. В корнях бактерии смещали состав корневого микробиома в сторону более полезного, не нарушая его баланса. Химические показатели растений показали, что основной цикл производства энергии (в котором клетки превращают сахара в полезную энергию) работал активнее, азот использовался эффективнее, а соединения, необходимые для роста, синтезировались с большей скоростью. Команда также наблюдала усиление антиоксидантной способности — признак того, что растения были лучше подготовлены к стрессу и росту.

Команда расширила подход на полезные грибы. Пластыри, загруженные штаммом Tinctoporellus (AR8), стимулировали рост Чой Сум и регулировали уровень фитогормонов — сигнальных молекул, которые управляют ростом, развитием и реакцией растений на окружающую среду, — помогая поддерживать баланс гормонов роста растений. «Эта работа впервые демонстрирует, что ассоциированные с корнями биоудобрения можно напрямую доставлять в листья или стебли растения для улучшения роста», — добавил доцент Тэй. — «С этим открытием мы представили новую концепцию "микроигольного биоудобрения", которая преодолевает значительные проблемы инокуляции почвы».

Исследователи видят раннее применение метода в городских и вертикальных фермах, где важна точная дозировка, а также для медленнорастущих ценных культур, таких как лекарственные травы. «Основное внимание сейчас — масштабируемость. Мы планируем изучить интеграцию нашей микроигольной технологии с сельскохозяйственной робототехникой и автоматизированными системами, чтобы сделать её пригодной для крупных ферм. Мы также протестируем её на более широком разнообразии культур, например, клубнике, и исследуем, как эти микробы эффективно мигрируют от листа к корню», — добавил доцент Тэй.