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和生產力。促進植物生長（PGP）的根際細菌是通過與根的直接或間接相互作用而對植物產生有益影響的細菌。PGP細菌有潛力增加植物對土壤養分的利用，產生植物激素等代謝產物，引發植物的系統防御作用，并增強植物對生物和非生物脅迫的抗性。作為回報，植物提供光合作用產生的碳，例如根際微生物消耗的糖和有機酸，以及用作根系微生物群環境信號的各種分子化合物。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成更大的生物膜。有人認為在根表面形成生物膜是有益根瘤菌細胞PGP活性的一部分。

了解植物根與微生物之間的復雜相互作用需要以高時空分辨率跟蹤其動態的能力。現在，可以使用微流體方法結合先進的實時成像顯微鏡，以細胞分辨率實時監測動態根-微生物相互作用（RMI）。微流控平臺提供了一種強大的方法來評估生長中的植物細胞對外部擾動（例如養分，介質流量，溫度，流體動力學，光和壓力源）的響應，其吞吐率高于傳統方法，并且在精確控制下環境。多種微流控設備，例如：Plant on a chip、RootChip、RootArray、TipChip、PlantChip被開發用于研究擬南芥細胞生物學的各個方面，包括基因表達，細胞生物力學，細胞生物學。生長和細胞分裂的機制。

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，病原線蟲和卵菌能動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（TRIS）的微流控設備揭示了枯草芽孢桿菌對根伸長區的獨特趨化行為及其快速定居，并允許實時監控各種擬南芥基因型根系之間的細菌偏好（Massalha等，2017）。另一個最近的研究調查了擬南芥根定殖的時空動力學由PGP細菌物種從P蒾三角肌根際超過4天（Aufrecht等人，2019）。迄今為止，使用微流控技術對植物根和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周內完成整個生命周期，并長出一個單一的初生根，隨后產生較小的側根。但是，有必要研究其他植物的根系發育和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（例如細菌和真菌）相互作用，而科學家才剛剛開始完全了解它們。美國能源部（DOE）的阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的研究人員發現了一種使用新設計的微流控設備（通過微細通道蝕刻的芯片）獲得有關這些相互作用的新見解的方法。該設備可以幫助支持研究，以發現促進植物生長，對抗旱作物進行工程改造，改善環境甚至提高生物能源原料產量的更好方法。

科學家們發現了一種使用新設計的微流控裝置以互利的方式獲得有關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，這對尋求持續觀察諸如微生物附著和養分交換等活動而長期不中斷的研究人員構成了挑戰。為了解決這一挑戰，研究人員傳統上通過在盆中，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。

阿貢國家實驗室Marie-Francoise Noirot-Gros說：“我們觀察到了細菌在根部的特殊行為，從細菌的排列到致密的生物膜的形成。”

但是，監視根部和根際周圍的微生物之間關系的理想方法是在根際上長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養豐富區域。因此，阿貢（Argonne）生物科學部門的研究人員與美國能源部科學辦公室用戶設施阿貢（Argonne）納米材料中心的科學家一起，開發了RMI芯片：一種微型微流體設備，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的生物信息學家和分子生物學家Gyorgy Babnigg說：“通道是通過軟光刻創建的，這是一種使用軟材料制造3-D結構的方法。”

Babnigg和他的同伴使用此技術創建了設備的底模。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正在發生的事情。  

用于研究樹木的小型實驗室

長期以來，研究人員一直使用Babnigg和他的團隊創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設備是第一種用于活木本植物的設備。

Argonne小組選擇使用他們的設備來分析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周，” Babnigg說。“確實花了一段時間。我們不僅需要將根尖轉移到芯片中，而且還必須等到根到達養分流動的入口，然后再等一周才能增加植物的生長。促進微生物進入該系統。”

研究人員對添加到系統中的微生物進行了設計，使其發出獨特的熒光，從而使研究人員可以在顯微鏡下區分其行為。

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

通過這種方式設計實驗，研究人員可以區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養或釋放引導根部運動的磷和植物激素等物質。

數周以來，研究人員通過顯微鏡連續觀察了不同類型的微生物如何生長并與活根相互作用，并發現，在缺乏外部營養的情況下，微生物確實會卡在根表面并利用根系分泌物生長。

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

這些發現反映了過去的實驗所證明的事實，驗證了該團隊的方法和設備的應用。

巴布尼格說：“我們在植物還活著的時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備并在數周的時間內做到這一點，這使這項工作脫穎而出。”

該研究論文發表在《Frontiers in Plant Science》上，標題為“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

文獻鏈接：

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