研究人员开发了用于分析植物与微生物相互作用的新芯片设计

植物以互利的方式与某些微生物(例如细菌和真菌)相互作用，而科学家才刚刚开始完全了解它们。美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究人员发现了一种使用新设计的微流控设备(通过微细通道蚀刻的芯片)获得有关这些相互作用的新见解的方法。

该设备可以帮助支持研究，以发现更好的方法来促进植物生长，对抗旱作物进行工程改造，改善环境甚至提高生物能源原料的产量。

问题的根源

植物根与微生物的相互作用(RMI)隐藏在土壤之下，这对寻求持续观察微生物附着和养分交换等活动而长期不中断的研究人员构成了挑战。为了解决这一挑战，研究人员传统上通过在盆中，玻璃板之间或琼脂平板中种植植物来分析根系环境，然后通过牺牲样品观察根系的物理变化和微生物相互作用。

“我们观察到了细菌在根部的特殊行为，从细菌的排列到致密的生物膜的形成。” — Argonne微生物学家Marie-Francoise Noirot-Gros

但是，监视根部和根际周围的微生物之间关系的理想方法是在根际上长期观察高分辨率下的相互作用，而根际是植物根部周围土壤的营养丰富区域。因此，阿贡(Argonne)生物科学部门的研究人员与美国能源部 科学办公室用户设施阿贡(Argonne)纳米材料中心的科学家一起 ，开发了RMI芯片：一种微型微流体设备，允许微量流体流经芯片上的微通道或通路。尺寸仅为几平方厘米。

“通过软光刻，用于制造的方法，将创建通道 3层 d 使用软性材料的结构，”捷尔吉Babnigg，在阿贡一个生物信息和分子生物学家，谁共同开发的所述设备。

Babnigg和他的同伴使用此技术创建了设备的底模。然后，他们将类似于硅树脂的塑料倒在模具上并加热，使其硬化，然后将其从模具中取出。接下来，研究人员在材料上打孔以形成入口和出口，最后，将其与一块显微镜盖玻片融合在一起，以便他们可以通过显微镜观察通道内发生的情况。

用于研究树木的小型实验室

研究人员长期以来一直使用诸如Babnigg和他的团队创建的微流体装置来研究根与微生物的相互作用，尽管这种作用仅发生在小型，短寿命的开花植物中，例如 拟南芥(Arabidopsis thaliana)，被称为拟南芥或鼠耳水芹。 Argonne设备是第一种用于活木本植物的设备。

Argonne小组选择使用他们的设备来分析Aspen树(杨树Populus tremuloides)的地震或颤抖，这是一种耐寒，生长迅速的落叶树，是北美分布最广泛的树种。他们首先将白杨树种子培育成幼苗，然后将其移植到芯片的各个通道中。

“与其他较短的研究不同，我们能够找出所有用于在芯片中种植幼苗的管道数周，” Babnigg说。“这也需要一段时间。我们不仅需要将根尖转移到芯片中，而且还必须等到根到达养分流动的入口，然后再等一周，然后才能向该系统添加促进植物生长的微生物。 ”

研究人员对添加到系统中的微生物进行了设计，使其发出独特的荧光，从而使研究人员可以在显微镜下区分其行为。

而且，尽管研究人员不断在系统中流过简单的盐溶液以支持幼苗生长，但他们却保留了微生物生长所需的营养。这意味着，为了使微生物生存，他们必须以植物为食。

通过这种方式设计实验，研究人员可以区分是否可以观察到共生相互作用，例如微生物接受植物根部分泌的营养物或释放引导根部运动的磷和植物激素等物质。

数周以来，研究人员通过显微镜连续观察了不同类型的微生物如何生长并与活根相互作用，并发现，在缺乏外部营养的情况下，微生物确实会卡在根表面并利用根分泌物生长。

“我们观察到了细菌在根部的特殊行为，从细菌的排列到致密的生物膜的形成，” Argonne微生物学家，第一作者Marie-Francoise Noirot-Gros说。

这些发现反映了过去的实验所证明的事实，验证了该团队的方法和设备的应用。

“我们在植物还活着的时候就将所有这些相互作用可视化了，”巴布尼格说。“我们做到这一点使用我们的设备，并在几个星期的课程能力是什么使这个作品中脱颖而出。”