使用微流控装置分析植物与微生物之间的相互作用（RMI芯片）

植物微生物组在根际中起着重要作用。几乎所有的植物组织都带有可以充当共生菌，共生菌或病原体的微生物。植物与微生物之间的相互作用可以是有益的，中性的或有害的，并直接影响植物的生长和生产力。促进植物生长（PGP）的根际细菌是通过与根的直接或间接相互作用而对植物产生有益影响的细菌。PGP细菌有潜力增加植物对土壤养分的利用，产生植物激素等代谢产物，引发植物的系统防御作用，并增强植物对生物和非生物胁迫的抗性。作为回报，植物提供光合作用产生的碳，例如根际微生物消耗的糖和有机酸，以及用作根系微生物群环境信号的各种分子化合物。微生物附着在根表面并形成微生物菌落，这些菌落最终可以长成更大的生物膜。有人认为在根表面形成生物膜是有益根瘤菌细胞PGP活性的一部分。

了解植物根与微生物之间的复杂相互作用需要以高时空分辨率跟踪其动态的能力。现在，可以使用微流体方法结合先进的实时成像显微镜，以细胞分辨率实时监测动态根-微生物相互作用（RMI）。微流控平台提供了一种强大的方法来评估生长中的植物细胞对外部扰动（例如养分，介质流量，温度，流体动力学，光和压力源）的响应，其吞吐率高于传统方法，并且在精确控制下环境。多种微流控设备，例如：Plant on a chip、RootChip、RootArray、TipChip、PlantChip被开发用于研究拟南芥细胞生物学的各个方面，包括基因表达，细胞生物力学，细胞生物学。生长和细胞分裂的机制。

很少有研究使用微流体装置来可视化拟南芥根与致病性或有益微生物的相互作用。使用片上植物平台，病原线虫和卵菌能动孢子侵袭拟南芥根的可视化揭示了侵袭过程中宿主植物和病原体发生了一些生理变化（Parashar和Pandey，2011）。最近，一种跟踪根部相互作用系统（TRIS）的微流控设备揭示了枯草芽孢杆菌对根伸长区的独特趋化行为及其快速定居，并允许实时监控各种拟南芥基因型根系之间的细菌偏好（Massalha等，2017）。另一个最近的研究调查了拟南芥根定殖的时空动力学由PGP细菌物种从P蒾三角肌根际超过4天（Aufrecht等人，2019）。迄今为止，使用微流控技术对植物根和RMI的研究一直集中在拟南芥上，一年生草本植物模型可以在6周内完成整个生命周期，并长出一个单一的初生根，随后产生较小的侧根。但是，有必要研究其他植物的根系发育和RMI，包括多年生木本植物，例如树木。

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产量的更好方法。

科学家们发现了一种使用新设计的微流控装置以互利的方式获得有关植物根与土壤微生物相互作用的新见解的方法。（图片由Lidiane Miotto / Shutterstock。）

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，这对寻求持续观察诸如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。

阿贡国家实验室Marie-Francoise Noirot-Gros说：“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。”

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，允许微量流体流过芯片上的微通道或通路。尺寸仅为几平方厘米。

Argonne的生物信息学家和分子生物学家Gyorgy Babnigg说：“通道是通过软光刻创建的，这是一种使用软材料制造3-D结构的方法。”

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正在发生的事情。  

用于研究树木的小型实验室

长期以来，研究人员一直使用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(美洲杨)的地震或颤抖，这是一种耐寒，快速生长的落叶乔木，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。

“与其他更短的研究不同，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。“确实花了一段时间。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，然后再等一周才能增加植物的生长。促进微生物进入该系统。”

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系分泌物生长。

“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，”阿贡大学微生物学家，第一作者玛丽·弗朗索瓦·诺伊罗特-格罗斯说。

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。

巴布尼格说：“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。” “我们有能力使用我们的设备并在数周的时间内做到这一点，这使这项工作脱颖而出。”

该研究论文发表在《Frontiers in Plant Science》上，标题为“Functional Imaging of Microbial Interactions With Tree Roots Using a Microfluidics Setup” 。

英文介绍链接：

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

文献链接：

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