Учёные разработали новый чип для анализа взаимодействий растений и микробов
Исследователи из Национальной лаборатории Аргонн Министерства энергетики США (DOE) создали новое микрофлюидное устройство (чип с микроскопическими каналами). Оно позволяет получить новые данные о взаимовыгодных взаимодействиях растений с бактериями и грибами. Это может помочь в исследованиях по улучшению роста растений, созданию засухоустойчивых культур, восстановлению окружающей среды и увеличению производства биотоплива.
Решение проблемы корней
Взаимодействия корней растений с микробами (RMI) скрыты в почве, что затрудняет их длительное и непрерывное наблюдение. Традиционные методы (горшки, стеклянные пластины, чашки с агаром) требуют уничтожения образца для анализа.
Идеальный способ — наблюдать эти взаимодействия в ризосфере (питательной зоне почвы вокруг корня) в реальном времени с высоким разрешением. Поэтому учёные из отделения биологических наук Аргонн и Центра наномасштабных материалов разработали RMI-чип. Это микрофлюидное устройство размером в несколько квадратных сантиметров, позволяющее пропускать микроколичества жидкости по каналам.
Каналы созданы методом мягкой литографии — изготовления 3D-структур из мягких материалов. Учёные сделали негативную форму, залили её силиконоподобным пластиком, отвердили нагреванием, проделали отверстия для входа/выхода жидкости и соединили с покровным стеклом для микроскопического наблюдения.
Мини-лаборатория для изучения деревьев
Микрофлюидные устройства ранее использовались только для небольших цветковых растений с коротким жизненным циклом, например, Arabidopsis thaliana. Устройство Аргонн впервые применено для живых древесных растений.
Команда выбрала для анализа осину (Populus tremuloides) — самую распространённую древесную породу в Северной Америке. Семена прорастили в сеянцы, которые затем пересадили в отдельные каналы чипа.
«В отличие от других коротких исследований, мы смогли настроить всю систему для выращивания сеянцев в чипе в течение нескольких недель», — сказал биоинформатик и молекулярный биолог Дьёрдь Бабнигг.
После пересадки корней в чип исследователи ждали, пока они достигнут входа с питательными веществами, а затем ещё неделю перед добавлением промоторов роста растений — специальных микробов.
Наблюдение симбиоза
Добавленные в систему микробы были генетически модифицированы для флуоресценции разными цветами, что позволяло различать их поведение под микроскопом.
Через систему постоянно пропускали простой солевой раствор для поддержания сеянцев, но лишали микробов внешних питательных веществ. Это означало, что для выживания микробам приходилось питаться за счёт растений.
Такой дизайн эксперимента позволил учёным определить, наблюдаются ли симбиотические взаимодействия: потребление микробами корневых экссудатов или выделение ими веществ (например, фосфора или гормонов), влияющих на движение корня.
В течение нескольких недель исследователи непрерывно наблюдали, как разные типы микробов растут и взаимодействуют с живыми корнями. Они обнаружили, что в отсутствие внешних питательных веществ микробы действительно прикрепляются к поверхности корня и используют корневые экссудаты для роста.
«Мы наблюдали определённое поведение бактерий на корнях: от их выстраивания до формирования плотных биоплёнок», — сказала микробиолог Мари-Франсуаз Нуаро-Гро, ведущий автор исследования.
Эти результаты соответствуют данным предыдущих экспериментов, подтверждая корректность подхода команды и применения их устройства.
«Мы визуализировали все эти взаимодействия, пока растение было ещё живо. Наша способность делать это с помощью нашего устройства в течение нескольких недель — вот что отличает эту работу», — отметил Бабнигг.
Исследование «Functional imaging of microbial interactions with tree roots using a microfluidics setup» опубликовано в журнале Frontiers in Plant Science.