Раскрытие секретов здоровья растений и хранения углерода с помощью ризосферы-на-чипе

Ученые Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США создали миниатюрную среду для изучения экосистемы вокруг корней тополя, чтобы получить представление о здоровье растений и секвестрации углерода в почве.

Платформа «ризосфера-на-чипе» основана на истории лаборатории по созданию устройств «лаборатория-на-чипе», в которых крошечные каналы и камеры вытравлены на предметном стекле микроскопа, чтобы можно было вводить жидкости и изучать их для исследований и тестирования биохимических разделений.

В данном случае ученые имитируют почву на чипе, проращивают тополя в жидкости и изучают среду вокруг их корней, известную как ризосфера. Ученые наблюдают, как микробы взаимодействуют с химическими веществами в искусственной почве, влияя на здоровье растений, и лучше понимают процессы, управляющие хранением углерода.

Ризосфера — одна из самых сложных систем в мире, в которой корни растений поглощают воду и питательные вещества, создают уникальную физическую и биогеохимическую среду для микробов и выделяют атмосферный углерод в почву. Возможно, существуют сотни различных бактерий, которые растут вблизи корней растений или находятся под влиянием ризосферы. Исследователей ORNL особенно интересует, как микробы, такие как бактерии и грибы, взаимодействуют с корнями растений, помогая им расти быстрее и выживать перед угрозами, такими как засуха, лесные пожары, болезни и вредители.

«Очень трудно заглянуть внутрь почвы, чтобы наблюдать эти процессы, поскольку частицы очень темные», — сказал Джек Кэхилл из Отдела биологических наук ORNL.

Ризосфера-на-чипе позволяет исследователям создавать модельные системы, а затем использовать такие методы, как масс-спектрометрия, для идентификации химических веществ и их распределения вокруг корней растений. Эти знания информируют анализ химических взаимодействий в экосистеме, таких как химические сигналы растений для привлечения или отпугивания микробов. Использование чип-системы также экономит образцы, удаляя лишь крошечное количество жидкости с платформы и позволяя растениям продолжать расти.

Подготовка почвы для науки

«Используя масс-спектрометрию, мы можем подслушать разговор между этими живыми системами растений, грибов и микробов, чтобы понять, как и почему они делают те безумные вещи, которые они делают», — сказал Скотт Реттерер, возглавляющий секцию синтеза наноматериалов в ORNL и совместно разработавший платформу с использованием нанофабрикационных мощностей Центра нанофазных материаловедения, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США в ORNL.

«Я описываю это как модный аквариум, — сказал Реттерер. — За исключением того, что наш аквариум размером с предметное стекло микроскопа, а инструменты, которые мы используем для формирования этой среды, — это те же самые инструменты, которые Intel использует для изготовления микросхем. Затем мы устраиваем званый обед в аквариуме для бактерий, растений и грибов. Мы накрываем на стол едой и наблюдаем, как это влияет на вечеринку».

Ученые ORNL, использующие платформу, обнаружили, например, высокие концентрации аминокислот в непосредственной близости от корней растений — явление, которое ранее оставалось незамеченным. Хотя когда-то считалось, что эти соединения перемещаются и разбавляются по структуре почвы, это не так, сказал Кэхилл.

«Динамика жидкости в этих чип-системах ограничена, поэтому это позволяет нам видеть концентрации молекул, которых вы не обязательно ожидали бы, не имея возможности напрямую измерить их с помощью чип-платформы», — добавил он.

Получение информации для лучших растений

Для исследований биоэнергетики ORNL влияние заключается в «лучшем понимании того, как растения, микробы и их химическое состояние соотносятся друг с другом. Если мы сможем предсказать и контролировать это, мы сможем использовать эти знания для разработки растений, устойчивых к окружающей среде, которые растут быстрее, дешевле в производстве и, следовательно, более пригодны для экономичного производства устойчивого биотоплива», — сказал Кэхилл.

Методы пространственной визуализации, разработанные исследователями ORNL, также могут быть использованы для фармакологических исследований, чтобы определить, достигают ли лекарственные соединения организма человека и поглощаются ли им, в рамках их экспериментов «опухоль-на-чипе», которые могут заменить аналогичные тесты на мышах.

«Большие научные инструменты, которые у нас есть здесь, в национальной лаборатории, и случайные взаимодействия с учеными всех мастей — это действительно то, что продвигает нас вперед в разработке этих новых исследовательских платформ», — сказал Реттерер. — Это похоже на большую научную вечеринку-потлак, где вы приносите свое любимое блюдо и делитесь им. Они все смешиваются на тарелке, и вдруг у нас появляется эта замечательная ризосфера-на-чипе».

Реттерер также подчеркнул роль исследовательских групп, которые «воплощают в жизнь эти большие идеи. Это наши техники, постдоки и студенты делают междисциплинарные исследования возможными».

Исследование опубликовано в Lab on a Chip. Коллеги, работающие над проектом в ORNL, включают Дженнифер Моррелл-Фалви, Мунибу Халид, Кортни Уолтон, Сару Джоуди и Эмбер Уэбб. Джейд Ауфрехт совместно разработала платформу, будучи аспирантом в ORNL, и теперь работает в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, где продолжает сотрудничать в исследованиях.