陳登博付玉明馮佳界

(1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京 100191;2.北京航空航天大學(xué)空天生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)工程國(guó)際聯(lián)合研究中心,北京 100191)

1 引言

植物栽培是地面和受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)的重要組成部分。植物的根系有固定植株、吸收水分和養(yǎng)分等重要功能,根際微生物在植物根表或近根部位生長(zhǎng)繁殖,是植物微生物組的重要組成部分。植物脫落物或分泌物可到達(dá)根際微區(qū),在根系周圍形成豐富而復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境[1],是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的一種適應(yīng)外界環(huán)境變化的重要機(jī)制[2]。這些植物脫落物或分泌物為微生物提供營(yíng)養(yǎng),以此構(gòu)建和調(diào)節(jié)根際微生物菌群[3];另一方面,根際微生物也會(huì)深度參與調(diào)解植物生理活動(dòng)[4-5]。因此,植物與微生物的根際相互作用(簡(jiǎn)稱根-菌互作)是植物學(xué)和微生物學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的根-菌互作研究所用的栽培方式難以實(shí)時(shí)營(yíng)造對(duì)根際研究所需化學(xué)環(huán)境,且由于需要將植物根部取出進(jìn)行采樣和成像觀察,使得采樣和成像不具有實(shí)時(shí)性(時(shí)間分辨率較低),難以復(fù)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的互作過(guò)程。并且根毛可增加根表面積,為根部探索更大空間,在根生理學(xué)研究中具有重要地位,但卻因?yàn)槌叨冗^(guò)小而難以采樣和成像等。因此,根-菌相互作用的實(shí)時(shí)化、可視化和操控性研究是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。

近年來(lái),控制小體積流體的微流控芯片技術(shù)(或稱為芯片實(shí)驗(yàn)室)為生物學(xué)研究的實(shí)時(shí)化和可視化提供了新方法,在根-菌互作研究中展現(xiàn)出巨大潛力。微流控技術(shù)在根-菌互作研究中具有三大優(yōu)勢(shì): ①透明的芯片可實(shí)現(xiàn)根-菌互作的實(shí)時(shí)成像; ②可實(shí)現(xiàn)對(duì)根際環(huán)境的多次采樣; ③可對(duì)根際化學(xué)環(huán)境實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確操控,以研究化學(xué)環(huán)境對(duì)互作的影響。目前最廣泛采用的芯片構(gòu)建流程及材料為:按照所需的芯片設(shè)計(jì)圖紙,以光刻機(jī)制作與其互補(bǔ)的光刻膠材質(zhì)或3D 打印制作塑料材質(zhì)的模板(Template/mold),以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)澆注到模板上成型后剝離,再以等離子體氧化PDMS 的需封裝面(即有芯片通道的面)以活化其表面基團(tuán),最后放置玻璃片至封裝面上鍵合以完成封裝[6]。相對(duì)于二氧化硅、熱固性塑料、熱塑性塑料等其他可選的芯片材質(zhì),PDMS 的價(jià)格低廉、偏軟質(zhì)、制作模板后可快速批量澆注制取等優(yōu)勢(shì),使其成為主流芯片制作流程中常用材料[6]。等離子體氧化封裝方式是不可逆的,即封裝后很難將PDMS 從玻璃片上拆卸;若實(shí)驗(yàn)有拆卸需求,可考慮可逆的封裝方式,直接在室溫下依賴PDMS 和玻璃片間的范德華力封裝,但這樣封裝不嚴(yán)密,在外力和內(nèi)壓下容易因意外拆卸開(kāi)[7]。

高等植物可以再生氧氣、食物和水,是生物再生生命保障系統(tǒng)(Bioregenerative Life Support System,BLSS)的功能核心[8]。而空間特殊環(huán)境(微重力、輻射、磁場(chǎng)、密閉、微生物多樣性受限等)對(duì)根-菌互作的影響尚不明晰,前期搭載實(shí)驗(yàn)表明植物對(duì)微生物病害的敏感性可能增加[9]。而微流控技術(shù)體積小、性價(jià)比高,對(duì)于空間研究也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。本文綜述了基于微流控的植物根部發(fā)育和根-菌互作的研究,闡述微流控芯片針對(duì)不同栽培基質(zhì)的成像及對(duì)根際化學(xué)環(huán)境的操控/采樣功能的優(yōu)勢(shì),分析了芯片針對(duì)不同根系形態(tài)需求的研究,并對(duì)微流控技術(shù)在空間環(huán)境根-菌互作研究中的重要作用進(jìn)行展望。

2 根-菌互作芯片的成像技術(shù)

主流微流控芯片的材質(zhì)(PDMS、玻璃片等)透光性好,對(duì)根-菌互作的成像觀察獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。若能結(jié)合熒光等生物發(fā)光技術(shù)和一些高級(jí)成像技術(shù),將可以更全面地還原根-菌互作過(guò)程。

Massalha 等[10-11]構(gòu)建的微流控系統(tǒng)TRIS(Tracking Root Interactions System)是一個(gè)研究根-菌互作的典型裝置,如圖1(a)所示,體現(xiàn)了生物熒光技術(shù)在芯片根-菌互作成像中的出色效果。TRIS 系統(tǒng)采用PDMS-玻璃片材質(zhì),在灌有固體植物培養(yǎng)基的移液器吸頭中令擬南芥發(fā)苗,在根長(zhǎng)出吸頭前移栽至芯片通道入口令其向芯片中生長(zhǎng),并使用注射泵將液體培養(yǎng)基和所感興趣的根際菌(枯草芽孢桿菌作為植物有益菌,大腸桿菌作為有害菌)注射進(jìn)芯片通道內(nèi),這些方法在根-菌互作的芯片研究中被普遍使用。為了實(shí)時(shí)顯微觀察,該裝置直接安裝在顯微鏡上。在無(wú)菌芯片中接種了表達(dá)紅色熒光蛋白的枯草芽孢桿菌和表達(dá)綠色熒光蛋白的大腸桿菌,使用激光掃描共焦顯微鏡分別熒光成像并疊加圖像,發(fā)現(xiàn)在接種后12 h 當(dāng)中,枯草芽孢桿菌向根伸長(zhǎng)區(qū)聚集并定殖,大腸桿菌卻被排除在根表面之外,通過(guò)圖像觀察菌群行為動(dòng)態(tài),可推測(cè)出有益菌對(duì)植物針對(duì)病原體的保護(hù)機(jī)制。除使用熒光標(biāo)記的細(xì)菌之外,該研究還使用了僅在6 個(gè)特定根區(qū)(皮層、脈管系統(tǒng)、根毛等)表達(dá)綠色熒光蛋白的6 種熒光擬南芥株系,并與紅色熒光蛋白的枯草芽孢桿菌圖像疊加,觀察到了桿菌接種后6 h 內(nèi)向根伸長(zhǎng)區(qū)的明顯趨化行為,實(shí)現(xiàn)熒光標(biāo)記的植物和細(xì)菌共同成像。

圖1 針對(duì)根-菌互作的芯片F(xiàn)ig.1 Chip for root bacteria interaction

在可見(jiàn)光(包括熒光)手段之外,電子顯微鏡和原子力顯微鏡等先進(jìn)成像技術(shù)的分辨率更高,可在根-菌互作研究中作為更高級(jí)的、細(xì)胞器水平的成像手段。比如根毛就是一種微米級(jí)的根部結(jié)構(gòu),可以應(yīng)用這兩種高級(jí)成像手段。與光學(xué)顯微鏡不同,這兩者都要求觀察面暴露在外,而根卻被封裝在芯片中。由于等離子體氧化法的封裝是不可逆的,很難打開(kāi)封裝以將根和根際區(qū)暴露在外。針對(duì)這一需求,Aufrecht 等[12]設(shè)計(jì)了一種可拆卸的、針對(duì)根毛研究的芯片,PDMS 并未化學(xué)鍵合到玻璃片上,而只是在高壓滅菌時(shí)形成了較弱的物理鍵,且用瓊脂固化圍住PDMS 以進(jìn)一步固定及保濕,如圖1(b)所示。其可在光學(xué)成像完成后拆卸開(kāi)以供電鏡等成像。針對(duì)根毛研究的目的,芯片被設(shè)計(jì)成了兩層(Two-layer)式的階梯狀腔室,較高的腔室(200 μm)容納主根、兩側(cè)較低的腔室(20 μm)容納根毛,實(shí)測(cè)證明根毛生長(zhǎng)時(shí)可自然粘附在PDMS 面上,在拆卸過(guò)程中可保持在原位,利于后續(xù)的電子顯微鏡/原子力顯微鏡對(duì)根毛的成像研究。研究人員進(jìn)一步使用該芯片跟蹤了2種植物益生菌在擬南芥發(fā)育早期根部定殖情況[13],結(jié)果發(fā)現(xiàn),無(wú)論細(xì)菌種類和接種濃度如何,4 天后細(xì)菌細(xì)胞在根表面的覆蓋面積均為1%～2%,且根的發(fā)育情況很大程度上取決于細(xì)菌接種的種類和濃度。

3 芯片技術(shù)對(duì)不透明栽培基質(zhì)的成像優(yōu)勢(shì)

芯片通道中裝載液體基質(zhì)時(shí),其在光學(xué)上透明的性質(zhì)有助于成像,但液體并不是自然界或人工栽培的主流基質(zhì),自然環(huán)境中的根-菌互作大多發(fā)生在土壤等固體基質(zhì)中。若將土壤引入芯片,以解決土壤顆粒不透明導(dǎo)致的可見(jiàn)光成像困難等問(wèn)題,生物熒光和某些顯微光譜成像技術(shù)或可成為其研究手段。

Mafla-Endara 等[14]設(shè)計(jì)了土壤芯片,將土壤置于芯片通道入口處,以可見(jiàn)光觀察土壤及微生物擴(kuò)散進(jìn)入通道的過(guò)程,以揭示土壤生態(tài)系統(tǒng)的形成過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn),土壤液體和真菌菌絲是土壤物質(zhì)擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力,土壤顆粒和微生物在充滿液體的通道中擴(kuò)散比在空氣中快得多,且真菌菌絲可攜帶細(xì)菌穿過(guò)氣體障礙而擴(kuò)散定殖。芯片成像還可用于量化土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)模式,對(duì)所得顯微視頻中2～6 μm 土壤顆粒使用自動(dòng)追蹤算法制作速度-位置熱圖,發(fā)現(xiàn)土壤顆粒被芯片內(nèi)部的流水拖拽形成蜿蜒的運(yùn)動(dòng)模式,也使細(xì)菌很快地移動(dòng)。雖未引入植物,該研究使用的土壤芯片已展現(xiàn)了對(duì)根-菌互作的可見(jiàn)光成像研究潛力。

也有研究嘗試讓植物根進(jìn)入裝載有固體基質(zhì)的芯片,以研究基質(zhì)中的根-菌互作。Gao 等[15]描述了EcoFAB(Ecosystem Fabrication)芯片制作方法,可向通道內(nèi)裝載沙子或土壤作為基質(zhì),以期在更接近自然條件的微環(huán)境中研究根-菌互作,如圖2 所示。觀察發(fā)現(xiàn),雖然在亮場(chǎng)(可見(jiàn)光)下,沙子和土壤的不透明性質(zhì)讓埋在其中的根系和微生物不可見(jiàn),但在熒光顯微鏡下,熒光標(biāo)記的根際益生菌Pseudomonassimea在土中清晰可見(jiàn),展現(xiàn)了熒光技術(shù)克服土壤不透明性成像的潛力。這種益生菌在沙子中集中于植物根尖,而在土壤中集中于芯片開(kāi)口處。研究表明沙子的貧營(yíng)養(yǎng)迫使益生菌定殖于根尖以攝取分泌物,而土壤的富營(yíng)養(yǎng)使芯片開(kāi)口處的氧氣成為益生菌的首要需求。

圖2 EcoFAbs 的應(yīng)用[15]Fig.2 The applications of EcoFABs[15]

值得注意的是,EcoFAB 的實(shí)驗(yàn)流程認(rèn)為可使用鑷子將裸露的植物幼苗直接從發(fā)苗的固體培養(yǎng)基上移栽至芯片的孔道內(nèi)[15];而幾乎所有其他芯片-植物的結(jié)合研究都選擇使用內(nèi)有固體培養(yǎng)基的移液器吸頭作為發(fā)苗載體,并模塊化地整體移栽至芯片孔道內(nèi)[10,13,16],以防止移栽過(guò)程對(duì)根的傷害。使用移液器的成活率明顯高于使用鑷子的移栽,雖然使用鑷子的做法更接近自然條件,但對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要求較高,很難不傷害根系。至于直接在灌注培養(yǎng)基的芯片中發(fā)苗的方法[17],由于植物的發(fā)芽率并非100%等原因,失敗率相對(duì)更高。

針對(duì)土壤顆粒對(duì)可見(jiàn)光的不透明性,Pucetaite 等[18]推薦對(duì)土壤芯片使用可見(jiàn)光光譜之外的、先進(jìn)的顯微光譜成像技術(shù),以克服土壤的不透明性,利于在微觀尺度監(jiān)測(cè)土壤微生物和相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程。這些非可見(jiàn)光的顯微光譜成像技術(shù)包括紅外吸收、拉曼散射和基于同步輻射的X 射線顯微光譜技術(shù)等,有時(shí)需要在土壤中加入穩(wěn)定同位素或納米貴金屬粒子等輔助成像定位,在微生物鑒定、代謝物/污染物的定量/定位等方面各有優(yōu)勢(shì),也可運(yùn)用于基于固體基質(zhì)芯片的根-菌互作研究中。

4 芯片技術(shù)對(duì)根際化學(xué)環(huán)境的操控/采樣功能優(yōu)勢(shì)

利用微流控亦可在時(shí)空上快速操控/監(jiān)測(cè)根周圍的化學(xué)環(huán)境,研究根部對(duì)生物或非生物因素的動(dòng)態(tài)響應(yīng),例如一系列以RootChip 命名的芯片設(shè)計(jì)[19],如圖3 所示。最初Grossmann 等[19]開(kāi)發(fā)的RootChip 被用于根對(duì)化學(xué)環(huán)境的響應(yīng)研究,并以根內(nèi)的葡萄糖熒光傳感器開(kāi)展熒光成像,成功發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)糖水平的改變主要發(fā)生在灌注了葡萄糖的根尖。對(duì)于使用擬南芥的研究,RootChip 可在幾厘米內(nèi)(＜10 cm)部署多個(gè)平行通道,以一次性開(kāi)展多個(gè)植株的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。Fendrych 等[20]采用豎直放置的vRootChip(v 意為vertical,豎直以不影響根向地性)研究根部生長(zhǎng)的基因通路,觀察擬南芥根生長(zhǎng)情況數(shù)天,發(fā)現(xiàn)無(wú)生長(zhǎng)素存在時(shí)擬南芥的根生長(zhǎng)速度會(huì)在30 s 內(nèi)迅速下降;補(bǔ)充少量生長(zhǎng)素后,根生長(zhǎng)速度又會(huì)在2 min 內(nèi)恢復(fù);并通過(guò)向芯片中根際環(huán)境注入cvxIAA、ccvTIR1 等人工配體,最終確認(rèn)了以TIR1/AFBAux/IAA 共受體復(fù)合物為基礎(chǔ)的一個(gè)調(diào)節(jié)根生長(zhǎng)的非轉(zhuǎn)錄分支[20]。Guichard 等[21]開(kāi)發(fā)了根生長(zhǎng)通道更長(zhǎng)的RootChip-8S 微流控裝置,Denninger等[22]用其跟蹤觀察了與根毛形成相關(guān)的細(xì)胞極化過(guò)程機(jī)理,發(fā)現(xiàn)基因GEF3 在細(xì)胞極化過(guò)程中有作為細(xì)胞膜標(biāo)志物的作用。

圖3 安裝8 個(gè)植物的RootChip[19]Fig. 3 Image of a RootChip with eight mounted live plants[19]

一些芯片設(shè)計(jì)甚至可令同一植株的根部的不同部位分別處于不同化學(xué)環(huán)境中,以在完全排除個(gè)體差異因素的前提下,直觀對(duì)比不同化學(xué)環(huán)境對(duì)根雙側(cè)的影響或?qū)μ囟ǜ蔚挠绊?。面向根生理學(xué)或環(huán)境異質(zhì)性研究,研究人員通常使用雙流或多流匯總的方式,即多種液體從多個(gè)入口匯總到同一條芯片通道中,來(lái)營(yíng)造分界式共存的液體化學(xué)環(huán)境。

對(duì)于分根段施加不同的化學(xué)環(huán)境,Meier等[23]在2010年開(kāi)發(fā)了可對(duì)擬南芥施加多層流化學(xué)刺激的芯片,實(shí)際使用生長(zhǎng)素類似物2,4-D 和生長(zhǎng)素抑制劑NPA,層流的方向與根垂直,以驗(yàn)證生長(zhǎng)素和抑制劑對(duì)指定根段的影響。研究設(shè)置了3 個(gè)進(jìn)液口以達(dá)成3 層的層流,以控制流量的手段成功制造了厚度10 μm(約1 個(gè)根細(xì)胞長(zhǎng)度)的2,4-D 層,這一厚度是被摻雜在2,4-D 中的熒光微球所顯示。因?yàn)槭褂昧松L(zhǎng)素調(diào)節(jié)劑偶聯(lián)熒光蛋白的擬南芥株系,采用熒光顯微鏡觀察到了2,4-D 在短短幾分鐘后令10 μm 長(zhǎng)的根段長(zhǎng)出了根毛,表明了生長(zhǎng)素影響可在單個(gè)根細(xì)胞尺度上發(fā)生,也證明了微流控研究在很小尺度(～10 μm)上的化學(xué)刺激對(duì)根影響的能力。值得一提的是,由于層流的方向與根垂直,驗(yàn)證了大/小的流量中根的生長(zhǎng)沒(méi)有顯著區(qū)別,從而排除了剪切力(～10 dyne/cm2)可能造成的額外影響。

對(duì)于雙側(cè)施加不同的化學(xué)環(huán)境,Stanley 等[16]設(shè)計(jì)了雙流RootChip(Dual-flow-RootChip),令2種液體平行于根軸同時(shí)進(jìn)入通道,形成不對(duì)稱的化學(xué)環(huán)境,也描述了詳細(xì)的芯片實(shí)驗(yàn)步驟[24]。研究分別采用NaCl、磷酸鹽和聚乙二醇在雙流RootChip 中模擬干旱等脅迫形式,在根雙側(cè)不對(duì)稱處理,研究根毛生長(zhǎng)情況,證明根在生理和轉(zhuǎn)錄水平上具有局部適應(yīng)環(huán)境中異質(zhì)條件的能力,也證明雙流芯片方法有助于還原根與環(huán)境相互作用的決策過(guò)程[16]。研究表明,每個(gè)根毛細(xì)胞可以自主地對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)[16,23]。

微流控芯片的采樣功能有較大潛力。芯片的流出液是其內(nèi)部環(huán)境的重要樣品,通過(guò)收集芯片的流出液,即可完成植物根際微生物和根系分泌物的采集,從而進(jìn)行根際微生物組與代謝組分析。但實(shí)際開(kāi)展了采樣并使用組學(xué)手段分析的研究并不多。其原因是關(guān)注復(fù)雜微生物群落研究較少,而對(duì)有限個(gè)菌株的行為,使用熒光標(biāo)記等技術(shù)即可揭示,如Massalha 等[10]和Aufrecht 等[13]的研究;另外對(duì)于根際研究,很多根際菌定殖在根部表面甚至內(nèi)部,難以隨流出液流出。

5 芯片技術(shù)對(duì)根系形態(tài)等特殊需求的優(yōu)勢(shì)

植物根系具有多種形狀和尺寸,可為之相應(yīng)設(shè)計(jì)適合的微流控通道和腔體,以讓植株正常生長(zhǎng)或方便成像。為研究根系較粗的植物,Khan等[25]使用3D 打印的模具制備了腔體高度10 mm的PDMS 材質(zhì)芯片,如圖4(a)所示,用于研究二穗短柄草(Brachypodiumdistachyon,根系直徑1～3 mm)的根細(xì)胞和分析滲透脅迫下的基因表達(dá),發(fā)現(xiàn)了基因BdDi19 在幼苗短期滲透脅迫期間有表達(dá)。此外,針對(duì)須根系統(tǒng)研究,相對(duì)于傳統(tǒng)的單條直道的芯片設(shè)計(jì),Chai 等[26]采用多室設(shè)計(jì)的微流控芯片,如圖4(b)所示,令水稻的分枝根生長(zhǎng)到一組徑向的花瓣形室中,用以研究滲透脅迫(模擬干旱環(huán)境)對(duì)根系發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)隨著聚乙二醇(PEG6000,用于營(yíng)造滲透脅迫)濃度的增加,根的生長(zhǎng)變慢,根毛的數(shù)量和長(zhǎng)度增加,根尖邊緣細(xì)胞的發(fā)育和聚集增多。

圖4 應(yīng)用于不同植物的芯片F(xiàn)ig.4 Chips for different plants

為了方便顯微觀察,微流控芯片的尺寸普遍設(shè)計(jì)得較小,并且使用擬南芥等小型草本物種,這讓根-菌互作的長(zhǎng)期化觀察以及對(duì)個(gè)體較大的木本植物的研究成為挑戰(zhàn)。Noirot-Gros 等[27]設(shè)計(jì)的根系-微生物相互作用芯片(RMI-chip),如圖4(c)所示,通道長(zhǎng)達(dá)36 mm,可以培養(yǎng)山楊(木本植物)幼苗的根超過(guò)1 個(gè)月,并且可以連續(xù)使用顯微鏡觀察根-菌互作。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌需要在山楊根部表面形成生物膜才能持久定殖。RMI 芯片加以修改或優(yōu)化,可以用于長(zhǎng)期觀察生長(zhǎng)緩慢的植物,或者短期研究生長(zhǎng)較快的植物。

此外,設(shè)計(jì)功能導(dǎo)向性很強(qiáng)的特殊結(jié)構(gòu)芯片,如Massalha 等[10]的TRIS 系統(tǒng)還有一個(gè)雙根通道版本,在同一腔室里生長(zhǎng)2 株擬南芥的根,并設(shè)計(jì)了分隔結(jié)構(gòu)避免雙根的物理接觸,卻允許微生物細(xì)胞和信號(hào)分子的自由流動(dòng),以直觀地顯示細(xì)菌對(duì)不同基因型株系根部的定殖偏好。根據(jù)具體需求而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的微流控芯片更能滿足各種植物生長(zhǎng)的特殊需求,也是微流控芯片的優(yōu)勢(shì)之一。

6 根-菌互作空間研究現(xiàn)狀及展望

高等植物是BLSS 的功能核心,但空間環(huán)境因素導(dǎo)致植物生長(zhǎng)處于逆境,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著影響。在太空飛行等空間環(huán)境下發(fā)現(xiàn)在微重力下生長(zhǎng)的植物表現(xiàn)出對(duì)植物病菌的敏感性增加[28],地面3D 回轉(zhuǎn)模擬微重力效應(yīng)下的實(shí)驗(yàn)也證明了在模擬微重力效應(yīng)下病菌更易侵染植物[29-31]。一方面可能是因?yàn)槲⒅亓?duì)細(xì)胞壁的重生和木質(zhì)素的合成起到了抑制作用[32],從而利于病原真菌的侵染;另一方面推測(cè)是微重力影響了植物宿主與自身微生物的相互作用。雖然植物遺傳適應(yīng)相對(duì)較慢,但植物共生的微生物卻能夠很快地適應(yīng)環(huán)境變化[33]。而植物根際微生物組是植物的第2 套基因組的組成部分,在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程當(dāng)中起著至關(guān)重要的作用。植物益生菌對(duì)植物具有保護(hù)機(jī)制,可以形成生物膜以及生產(chǎn)植物激素從而提高植物個(gè)體抵御非外來(lái)的微生物環(huán)境脅迫的免疫能力、誘導(dǎo)免疫抗性等多種手段,從而來(lái)增強(qiáng)其對(duì)宿主的免疫抗逆、抗病能力[34],且微生物是BLSS 中必然存在的一個(gè)鏈環(huán),因此有必要研究空間環(huán)境下植物的根-菌互作。

但是受控條件下植物根際微生物的結(jié)構(gòu)變化以及潛在威脅微生物研究甚少。由于空間實(shí)驗(yàn)的空間有限,即使對(duì)于探空火箭等所擁有的超過(guò)10 cm × 10 cm × 10 cm 體積的實(shí)驗(yàn)空間[35-36],對(duì)于使用傳統(tǒng)栽培方式的根-菌互作研究也明顯不夠。而且,由于空間搭載機(jī)會(huì)的稀缺和昂貴,很多實(shí)驗(yàn)必須先期在地面開(kāi)展,在回轉(zhuǎn)儀等模擬的微重力環(huán)境下進(jìn)行[37-38]。與真正的空間實(shí)驗(yàn)相似,回轉(zhuǎn)儀可供實(shí)驗(yàn)的區(qū)域非常狹小,同樣難以容納傳統(tǒng)栽培方式的植株。

微流控技術(shù)可以成為空間生物學(xué)研究中很有前途的工具,已經(jīng)運(yùn)用在國(guó)際空間站或衛(wèi)星搭載的太空實(shí)驗(yàn)上。如應(yīng)用于國(guó)際空間站的一種新的不依賴培養(yǎng)物的微生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(the Lab-On-a-Chip Application Development Portable Test System,LOCAD-PTS)[39],在15 min 內(nèi)定量分析了艙室表面的內(nèi)毒素(革蘭氏陰性細(xì)菌和真菌的標(biāo)志)。在目前第一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的活體生物立方體衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)中,Nicholson 等[40]開(kāi)展生命有機(jī)體軌道空間環(huán)境生存性(Space Environment Survivability of Living Organisms,SESLO)實(shí)驗(yàn)6 個(gè)月,測(cè)定了枯草芽孢桿菌孢子在空間環(huán)境中長(zhǎng)期靜止(14、91和181 天)后的萌發(fā)、生長(zhǎng)和代謝情況。但目前空間生物學(xué)研究中,未將微流控技術(shù)應(yīng)用在植物根-菌互作研究上。而微流控芯片體積小,且目前已有一些微流控根-菌互作研究沒(méi)有采用注射泵,同樣可實(shí)現(xiàn)根際營(yíng)養(yǎng)液的更新[15]。微流控芯片作為載體更能滿足研究需求。因此,如圖5 所示,對(duì)于長(zhǎng)期進(jìn)化適應(yīng)1 G 重力的地球環(huán)境的植物而言,空間微重力環(huán)境屬于典型的逆境環(huán)境,可能導(dǎo)致植物菌群失調(diào),但目前對(duì)其機(jī)理并不清楚?；谖⒘骺丶夹g(shù)能更直觀地研究植物-微生物在空間極端環(huán)境下相互作用機(jī)理,并可以通過(guò)其機(jī)理精準(zhǔn)調(diào)控植物根部菌群,使植物擁有更大的固碳能力和更強(qiáng)的抗逆特性。

圖5 空間環(huán)境下微流控技術(shù)在根-菌互作研究中的運(yùn)用Fig.5 Application of microfluidic technique in the study of root-bacteria interaction in spatial environment

微流控技術(shù)在根-菌互作研究中的顯著優(yōu)勢(shì)能進(jìn)一步幫助研究者理解植物學(xué)和微生物學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。但在空間環(huán)境下基于微流控技術(shù)開(kāi)展植物根-菌互作研究依然存在著許多問(wèn)題:①空間環(huán)境下,植物根生長(zhǎng)會(huì)改變方向,對(duì)基于微流控技術(shù)的根菌互作觀察有一定影響;②在芯片設(shè)計(jì)的過(guò)程中還需要考慮表面張力會(huì)成為界面的主要力;③目前的微流控技術(shù)主要針對(duì)在透明基底上成像,這將偏離自然土壤系統(tǒng)中根際的群落結(jié)構(gòu)。這些問(wèn)題需要利用更有效的方法來(lái)解決。

7 結(jié)語(yǔ)

目前,已有研究將微流控技術(shù)運(yùn)用于根-菌互作中,顯著提高了實(shí)驗(yàn)效率與根菌研究結(jié)果的分辨率。然而迄今為止,國(guó)際上在空間環(huán)境下應(yīng)用微流控技術(shù)研究植物-微生物相互作用仍是空白。微流控技術(shù)具有便于對(duì)根菌互作實(shí)時(shí)成像以及對(duì)根際化學(xué)環(huán)境的操控/采樣等優(yōu)勢(shì),能夠精細(xì)刻畫(huà)反映出空間環(huán)境下植物-微生物互作規(guī)律,有益于揭示植物-微生物穩(wěn)態(tài)對(duì)空間環(huán)境效應(yīng)的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制,從而助力空間環(huán)境下植物健康穩(wěn)定生產(chǎn),為BLSS 空間實(shí)際構(gòu)建應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。