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(guò)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?，F(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(lái)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(kāi)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(lái)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(chóng)和卵菌能動(dòng)孢子侵襲擬南芥根的可視化揭示了侵襲過(guò)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(guò)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(shù)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(kāi)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(guò)微細(xì)通道蝕刻的芯片）獲得有關(guān)這些相互作用的新見(jiàn)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(jiàn)解的方法。（圖片由Lidiane Miotto / Shutterstock。）

問(wèn)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(guò)在盆中，玻璃板之間或瓊脂平板中種植植物來(lái)分析根系環(huán)境，然后通過(guò)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(shuō)：“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(kāi)發(fā)了RMI芯片：一種微型微流體設(shè)備，允許微量流體流過(guò)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(shuō)：“通道是通過(guò)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(shù)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(lái)，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(guò)顯微鏡觀察通道內(nèi)正在發(fā)生的事情。  

用于研究樹(shù)木的小型實(shí)驗(yàn)室

長(zhǎng)期以來(lái)，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(lái)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(kāi)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(lái)分析Aspen樹(shù)(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(shù)種。他們首先將白楊樹(shù)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(shuō)?！按_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)?！?/span>

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(guò)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(guò)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(lái)，研究人員通過(guò)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(shuō)。

這些發(fā)現(xiàn)反映了過(guò)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(shuō)：“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?！?/span>

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