Растения взаимодействуют с определенными микробами, такими как бактерии и грибы, взаимовыгодными способами, которые ученые только начинают полностью понимать. Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) придумали способ изучить эти взаимодействия с помощью недавно разработанного микрофлюидного устройства — чипа с крошечными каналами.

Это устройство может помочь в исследованиях, направленных на открытие более эффективных способов стимулирования роста растений, создания засухоустойчивых культур, восстановления окружающей среды и даже увеличения производства биоэнергетического сырья.

Научно-исследовательская работа опубликована в журнале Frontiers in Plant Science.

Процесс взаимодействия корней растений с микробами (plant root-microbe interactions, RMI) скрыт под почвой. Это не дает исследователям непрерывно наблюдать прикрепление микробов и обмен питательными веществами без перерыва и в течение длительного времени. Чтобы обойти эту проблему, ученые традиционно анализировали корневую среду, выращивая растения в горшках, между листами стекла или чашах агара, а затем наблюдали корни на предмет физических изменений и микробных взаимодействий, принося в жертву образец. Чашка с агаром — это чашка Петри , содержащая агар в качестве твердой питательной среды плюс питательные вещества, используемые для культивирования микроорганизмов.

Однако идеальный способ контролировать взаимосвязь между корнями растений и окружающими их микроорганизмами в ризосфере — богатой питательными веществами области почвы, окружающей корень растения, — это наблюдать за всеми взаимодействиями, когда они происходят в течение продолжительных периодов времени и с высоким разрешением.

Поэтому исследователи из отдела бионаук в Аргонне вместе с учеными из Центра наноразмерных материалов Аргонна, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США, разработали RMI-чип: крошечное микрожидкостное устройство, которое позволяет небольшому количеству жидкости проходить через микроканалы или пути на чипе, размером всего несколько квадратных сантиметров в поперечнике.

«Каналы создаются с помощью мягкой литографии, подхода к созданию трехмерных структур с использованием мягких материалов», — объясняет Гиорги Бабнигг, биоинформатик и молекулярный биолог из Аргонна, соавтор разработки устройства.

Бэбнигг и его коллеги использовали эту технику для создания негативного слепка своего устройства. Затем они облили форму пластмассой, похожей на силикон, нагревали ее, давая затвердеть, а затем вынули из формы. Затем исследователи пробили отверстия в материале, чтобы сформировать входные и выходные отверстия, и, наконец, сплавили его с куском покровного стекла микроскопа, чтобы они могли наблюдать за тем, что происходит внутри каналов через микроскоп. В итоге получилась миниатюрная лаборатория для изучения деревьев.

Микрожидкостные устройства, подобные тому, что создали Бабнигг и его команда, долгое время использовались исследователями для изучения взаимодействия корней и микробов, хотя и исключительно в небольших, недолговечных цветущих растениях. Новое устройство — первое, которое используется на живых древесных растениях.

Новая разработка уже позволила исследователям определить, наблюдаются ли такие симбиотические процессы, как принятие микробами питательных веществ, выделяемых корнем растения, или высвобождение таких материалов, как фосфор и гормоны растений, которые управляют движением корня.

В течение нескольких недель исследователи непрерывно наблюдали, как различные типы микробов растут и взаимодействуют с живыми корнями через микроскоп, и обнаружили, что в отсутствие внешних питательных веществ микробы действительно прикрепляются к поверхности корня и используют корневые экссудаты для роста.

Мы визуализировали все эти взаимодействия, пока растение было еще живым. Наша способность делать это с помощью нашего устройства в течение нескольких недель — вот что отличает эту работу, – Гиорги Бабнигг, биоинформатик и молекулярный биолог из Аргонна, соавтор разработки устройства.