植物微生物組在根際中起著重要作用。幾乎所有的植物組織都帶有可以充當(dāng)共生菌，共生菌或病原體的微生物。植物與微生物之間的相互作用可以是有益的，中性的或有害的，并直接影響植物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力。促進(jìn)植物生長(zhǎng)（PGP）的根際細(xì)菌是通過與根的直接或間接相互作用而對(duì)植物產(chǎn)生有益影響的細(xì)菌。PGP細(xì)菌有潛力增加植物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用，產(chǎn)生植物激素等代謝產(chǎn)物，引發(fā)植物的系統(tǒng)防御作用，并增強(qiáng)植物對(duì)生物和非生物脅迫的抗性。作為回報(bào)，植物提供光合作用產(chǎn)生的碳，例如根際微生物消耗的糖和有機(jī)酸，以及用作根系微生物群環(huán)境信號(hào)的各種分子化合物。微生物附著在根表面并形成微生物菌落，這些菌落最終可以長(zhǎng)成更大的生物膜。有人認(rèn)為在根表面形成生物膜是有益根瘤菌細(xì)胞PGP活性的一部分。

了解植物根與微生物之間的復(fù)雜相互作用需要以高時(shí)空分辨率跟蹤其動(dòng)態(tài)的能力。現(xiàn)在，可以使用微流體方法結(jié)合先進(jìn)的實(shí)時(shí)成像顯微鏡，以細(xì)胞分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)根-微生物相互作用（RMI）。微流控平臺(tái)提供了一種強(qiáng)大的方法來評(píng)估生長(zhǎng)中的植物細(xì)胞對(duì)外部擾動(dòng)（例如養(yǎng)分，介質(zhì)流量，溫度，流體動(dòng)力學(xué)，光和壓力源）的響應(yīng)，其吞吐率高于傳統(tǒng)方法，并且在精確控制下環(huán)境。多種微流控設(shè)備，例如：Plant on a chip、RootChip、RootArray、TipChip、PlantChip被開發(fā)用于研究擬南芥細(xì)胞生物學(xué)的各個(gè)方面，包括基因表達(dá)，細(xì)胞生物力學(xué)，細(xì)胞生物學(xué)。生長(zhǎng)和細(xì)胞分裂的機(jī)制。

很少有研究使用微流體裝置來可視化擬南芥根與致病性或有益微生物的相互作用。使用片上植物平臺(tái)，病原線蟲和卵菌能動(dòng)孢子侵襲擬南芥根的可視化揭示了侵襲過程中宿主植物和病原體發(fā)生了一些生理變化（Parashar和Pandey，2011）。最近，一種跟蹤根部相互作用系統(tǒng)（TRIS）的微流控設(shè)備揭示了枯草芽孢桿菌對(duì)根伸長(zhǎng)區(qū)的獨(dú)特趨化行為及其快速定居，并允許實(shí)時(shí)監(jiān)控各種擬南芥基因型根系之間的細(xì)菌偏好（Massalha等，2017）。另一個(gè)最近的研究調(diào)查了擬南芥根定殖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)由PGP細(xì)菌物種從P蒾三角肌根際超過4天（Aufrecht等人，2019）。迄今為止，使用微流控技術(shù)對(duì)植物根和RMI的研究一直集中在擬南芥上，一年生草本植物模型可以在6周內(nèi)完成整個(gè)生命周期，并長(zhǎng)出一個(gè)單一的初生根，隨后產(chǎn)生較小的側(cè)根。但是，有必要研究其他植物的根系發(fā)育和RMI，包括多年生木本植物，例如樹木。

植物以互利的方式與某些微生物（例如細(xì)菌和真菌）相互作用，而科學(xué)家才剛剛開始完全了解它們。美國(guó)能源部（DOE）的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種使用新設(shè)計(jì)的微流控設(shè)備（通過微細(xì)通道蝕刻的芯片）獲得有關(guān)這些相互作用的新見解的方法。該設(shè)備可以幫助支持研究，以發(fā)現(xiàn)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，對(duì)抗旱作物進(jìn)行工程改造，改善環(huán)境甚至提高生物能源原料產(chǎn)量的更好方法。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種使用新設(shè)計(jì)的微流控裝置以互利的方式獲得有關(guān)植物根與土壤微生物相互作用的新見解的方法。（圖片由Lidiane Miotto / Shutterstock。）

問題的根源

植物根與微生物的相互作用（RMI）隱藏在土壤之下，這對(duì)尋求持續(xù)觀察諸如微生物附著和養(yǎng)分交換等活動(dòng)而長(zhǎng)期不中斷的研究人員構(gòu)成了挑戰(zhàn)。為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員傳統(tǒng)上通過在盆中，玻璃板之間或瓊脂平板中種植植物來分析根系環(huán)境，然后通過犧牲樣品觀察根系的物理變化和微生物相互作用。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Marie-Francoise Noirot-Gros說：“我們觀察到了細(xì)菌在根部的特殊行為，從細(xì)菌的排列到致密的生物膜的形成。”

但是，監(jiān)視根部和根際周圍的微生物之間關(guān)系的理想方法是在根際上長(zhǎng)期觀察高分辨率下的相互作用，而根際是植物根部周圍土壤的營(yíng)養(yǎng)豐富區(qū)域。因此，阿貢（Argonne）生物科學(xué)部門的研究人員與美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施阿貢（Argonne）納米材料中心的科學(xué)家一起，開發(fā)了RMI芯片：一種微型微流體設(shè)備，允許微量流體流過芯片上的微通道或通路。尺寸僅為幾平方厘米。

Argonne的生物信息學(xué)家和分子生物學(xué)家Gyorgy Babnigg說：“通道是通過軟光刻創(chuàng)建的，這是一種使用軟材料制造3-D結(jié)構(gòu)的方法。”

Babnigg和他的同伴使用此技術(shù)創(chuàng)建了設(shè)備的底模。然后，他們將類似于硅樹脂的塑料倒在模具上并加熱，使其硬化，然后將其從模具中取出。接下來，研究人員在材料上打孔以形成入口和出口，最后，將其與一塊顯微鏡蓋玻片融合在一起，以便他們可以通過顯微鏡觀察通道內(nèi)正在發(fā)生的事情。  

用于研究樹木的小型實(shí)驗(yàn)室

長(zhǎng)期以來，研究人員一直使用Babnigg和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的微流體裝置來研究根與微生物的相互作用，盡管這種作用僅發(fā)生在小型，短壽命的開花植物中，例如擬南芥或鼠耳水芹。Argonne設(shè)備是第一種用于活木本植物的設(shè)備。

Argonne小組選擇使用他們的設(shè)備來分析Aspen樹(美洲楊)的地震或顫抖，這是一種耐寒，快速生長(zhǎng)的落葉喬木，是北美分布最廣泛的樹種。他們首先將白楊樹種子培育成幼苗，然后將其移植到芯片的各個(gè)通道中。

“與其他更短的研究不同，我們能夠找出所有用于在芯片中種植幼苗的管道數(shù)周，” Babnigg說。“確實(shí)花了一段時(shí)間。我們不僅需要將根尖轉(zhuǎn)移到芯片中，而且還必須等到根到達(dá)養(yǎng)分流動(dòng)的入口，然后再等一周才能增加植物的生長(zhǎng)。促進(jìn)微生物進(jìn)入該系統(tǒng)。”

研究人員對(duì)添加到系統(tǒng)中的微生物進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其發(fā)出獨(dú)特的熒光，從而使研究人員可以在顯微鏡下區(qū)分其行為。

而且，盡管研究人員不斷在系統(tǒng)中流過簡(jiǎn)單的鹽溶液以支持幼苗生長(zhǎng)，但他們卻保留了微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)。這意味著，為了使微生物生存，他們必須以植物為食。

通過這種方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究人員可以區(qū)分是否可以觀察到共生相互作用，例如微生物接受植物根部分泌的營(yíng)養(yǎng)或釋放引導(dǎo)根部運(yùn)動(dòng)的磷和植物激素等物質(zhì)。

數(shù)周以來，研究人員通過顯微鏡連續(xù)觀察了不同類型的微生物如何生長(zhǎng)并與活根相互作用，并發(fā)現(xiàn)，在缺乏外部營(yíng)養(yǎng)的情況下，微生物確實(shí)會(huì)卡在根表面并利用根系分泌物生長(zhǎng)。

“我們觀察到了細(xì)菌在根部的特殊行為，從細(xì)菌的排列到致密的生物膜的形成，”阿貢大學(xué)微生物學(xué)家，第一作者瑪麗·弗朗索瓦·諾伊羅特-格羅斯說。

這些發(fā)現(xiàn)反映了過去的實(shí)驗(yàn)所證明的事實(shí)，驗(yàn)證了該團(tuán)隊(duì)的方法和設(shè)備的應(yīng)用。

巴布尼格說：“我們?cè)谥参镞€活著的時(shí)候就將所有這些相互作用可視化了。” “我們有能力使用我們的設(shè)備并在數(shù)周的時(shí)間內(nèi)做到這一點(diǎn)，這使這項(xiàng)工作脫穎而出。”

該研究論文發(fā)表在《Frontiers in Plant Science》上，標(biāo)題為“Functional Imaging of Microbial Interactions With Tree Roots Using a Microfluidics Setup” 。

英文介紹鏈接：

https://www.anl.gov/article/argonne-researchers-develop-new-chip-design-for-analyzing-plantmicrobe-interactions

文獻(xiàn)鏈接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2020.00408/full