观察植物的根在一个透明的模拟土壤中生长

时间：2022年6月22日

来源：Lab on a Chip

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根际是植物根系之间及其周围的地下生态带，研究难度较大。科学家们现在已经开发出一种具有透明模拟土壤结构的芯片上的根际圈，使研究人员能够观察根是如何通过土壤中的孔隙随着时间的推移而生长的。结合专门的质谱分析技术，科学家还可以使用根际芯片来绘制根分泌分子的位置，比如氨基酸，而不会伤害植物。

根际是植物根系周围的生态系统。它是一个动态的植物和微生物生态系统，由于土壤的不透明和复杂而难以研究。通过在实验室中创造一个合成的根际圈，科学家们可以在一个模拟栖息地中研究地下相互作用，这个模拟栖息地不那么复杂，但保留了自然生态系统的关键特征。科学家们已经开发出一种具有透明模拟土壤结构的芯片上的根际圈，使科学家能够观察根是如何通过土壤中的孔隙随着时间的推移而生长的。结合专门的质谱分析技术，科学家还可以使用根际芯片来绘制根分泌分子的位置，比如氨基酸，而不会伤害植物。这一壮举目前在自然土壤中是不可能的。

植物是碳循环的主要生产者。它们将大约3%到5%的光合碳转化为分子，如糖和氨基酸，并散发到根际。这些分子为植物提供特殊的微生物成员，其中一些可以将碳转化为植物的营养和激素。这种微生物规模的碳循环对全球碳循环有很大的累积效应。然而，科学家一直难以研究土壤微生物过程发生的分子环境。这种新的根际芯片意味着研究人员可以在微尺度的土壤环境中观察植物和它们的微生物群之间的交流。

总结

太平洋西北国家实验室(PNNL)和橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员使用微流体技术开发了一个透明的土壤栖息地，称为芯片上的根际圈。科学家们可以利用芯片上的根际圈来种植二花短柄草，这是一种模型草，可以长达一个月。这使得研究人员能够通过合成的土壤孔隙空间对植物根系的发育进行成像。研究小组利用计算模拟来预测如果小分子从根的边界渗出，它们将如何在芯片上的根际扩散。这些模拟预测了以氨基酸等可消耗营养物质形式出现的集中碳热点。为了从实验上验证这些热点的存在，研究团队将他们的根际芯片连接到一个可渗透的膜上，并使用一种称为液体微连接表面取样探针质谱的技术，通过膜对根系分泌物进行空间采样。该研究证实了碳热点在合成孔隙空间内的存在，并揭示了氨基酸不是沿着根均匀散发。