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用于在细胞水平上探究真菌-微生物相互作用的微流控工具

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DOI：

10.3791/63917

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2022年6月23日

 ,  , 
1Department of Bioengineering, Imperial College London

本文内容

摘要

由于土壤不透明，其内部微生物组分之间的相互作用难以在细胞分辨率下直接观察。本文介绍了两种微流控工具，为研究真菌-微生物相互作用提供了新的机会。这些装置用途广泛且操作简便，能够实现高时空控制，并在细胞水平上进行高分辨率成像。

摘要

丝状真菌是土壤中成功的定居者，在土壤生态系统中发挥着重要作用，例如参与有机物和无机物的分解以及养分水平的调控。在土壤中，它们还拥有大量机会与多种其他微生物（如细菌或其他真菌）相互作用。然而，由于土壤具有类似“黑箱”的特性，对真菌在细胞水平上的相互作用进行研究仍具挑战性。目前，新型的微流控工具正在被开发用于研究真菌相互作用，其中两种用于研究细菌-真菌及真菌-真菌相互作用的平台尤为突出。在这些微通道中，可在受控的理化环境中以比以往更高的时间与空间分辨率监测真菌-微生物相互作用。这些工具的应用已带来诸多新颖的生物学发现，例如观察到细菌在菌丝上的极性附着，或揭示出此前未被描述的真菌-真菌拮抗现象。这些方法学的一个关键特征是其操作简便，非专业人员亦可轻松使用，从而产生高度可转化的技术，适用于微生物学实验室。

引言

土壤是一种高度多样化的环境，含有丰富的微生物，这些微生物在碳循环和磷循环中发挥着关键作用1,2。丝状真菌是多种生态系统的重要组成部分，能够分解有机物和无机物，并通过与植物建立共生关系促进植物营养吸收3,4。在土壤中，真菌与其他多种微生物（如其他真菌5、细菌6、病毒7和线虫8）之间存在动态相互作用。这些相互作用对土壤健康和植物健康具有重要影响。然而，由于缺乏能够以高分辨率成像微生物相互作用的合适实验系统，许多相互作用至今仍未被明确界定。

关于细菌-真菌相互作用（BFIs）和真菌-真菌相互作用（FFIs）的研究在多个领域具有重要应用价值，包括医学中的抗菌药物开发以及农业中的生物防治剂应用。例如，真菌Coprinopsis cinerea可产生一种名为copsin的肽，已被证实对人类病原体Listeria monocytogenes9具有抗菌活性。类似地，来源于真菌的化合物灰黄霉素（griseofulvin）被广泛用于治疗人类真菌感染，同时还能够抑制植物病原真菌Alternaria solani10,11的生长。此外，多种土壤生境中的细菌Bacillus subtilis菌株也已被证明对植物病原真菌Rhizoctonia solani12,13具有良好的生物防治效果。然而，由于传统研究方法存在局限性，目前在单细胞水平上对BFIs和FFIs的理解仍然十分有限。

传统研究通常在宏观尺度上利用含有两种或多种物种对峙培养的琼脂平板来探究细菌-真菌相互作用（BFIs）和真菌-真菌相互作用（FFIs），通过测量对峙物种的生长速率和代谢产物生成来评估其相互作用14,15,16；然而，该方法仅能解析到菌落水平。为在细胞水平上研究这些相互作用，可将细菌和真菌接种物培养在涂有琼脂的玻璃显微镜载玻片上，随后在显微镜下成像17。然而，由于缺乏空间限制，使用载玻片难以持续追踪单根菌丝，导致难以获取延时图像。此外，在此类实验装置中，无法实现将其他微生物精确地限制在菌丝体的特定区域，或构建可被扰动的明确定义的化学环境。土壤的“黑箱”特性也进一步增加了在单细胞水平上研究真菌-微生物相互作用的复杂性18。通过在远离土壤微生物组极端多样性的环境中观察相互作用的物种，可以更准确地评估各个成员之间相互作用的具体方式。因此，仍亟需开发多功能平台，以实现对细菌-真菌相互作用和真菌-真菌相互作用的高分辨率、单细胞水平成像。

微流控技术，即所谓的“芯片实验室”系统，为在单细胞水平上研究菌丝-菌丝相互作用（BFIs）和菌丝-菌丝融合（FFIs）提供了理想的平台。微流控领域起源于化学分析和微电子技术，现已被生物科学领域广泛采用19。微流控技术可在定制的微型通道网络中精确调控微量液体，这些通道至少有一个维度处于微米尺度，其在生物研究中的应用正不断拓展20。特别是，已有多种微流控装置被开发用于研究丝状真菌的生长21,22,23,24,25,26,27,28,29,30。该技术的一个优势在于，菌丝在微通道中的受限生长以及营养物质的分布更接近土壤环境的真实结构，优于传统的琼脂培养方法31。近年来，微流控平台已被用于研究人类中性粒细胞与真菌病原体之间的相互作用32、细菌与植物根系之间的相互作用33，以及真菌与线虫之间的相互作用34,35。

使用微流控技术研究微生物相互作用的诸多优势之一，是能够精确控制微通道环境。例如，可利用层流状态产生特定的浓度梯度，这在研究细菌趋化性时尤为有用36。另一个优势在于聚二甲基硅氧烷（poly(dimethylsiloxane), PDMS）具有透明特性，这种材料是一种价格低廉、生物相容性良好的弹性聚合物，广泛用于微流控器件的制造，便于通过明场和荧光显微镜对单个细胞进行高分辨率成像37。同样，将微生物限制在微通道内，使得可以开展追踪单细胞的延时实验，从而记录并量化单个细胞的响应行为37。最后，由于微流控装置可设计得易于操作，非专业人员也能轻松使用38。

深入了解土壤微生物之间相互作用的知识，对于改进可持续的生态系统管理实践、维持生物多样性以及减轻气候变化对陆地环境的影响具有重要意义39。因此，开发新型微流控工具对于在细胞水平上拓展对真菌及其相互作用的理解至关重要。本方案将重点介绍两种用于研究细菌-真菌相互作用（BFIs）40 和真菌-真菌相互作用（FFIs）41 的微流控装置，如图1所示。

微流控芯片装置：真菌-细菌相互作用及生长分析的示意图与显微镜图像。
图1：细菌-真菌相互作用（BFI）和真菌-真菌相互作用（FFI）装置的可视化与示意图。（A）BFI装置的图像。将菌丝块置于微通道一端入口处，以允许菌丝向装置内部生长。细菌进样口位于相对的另一端。比例尺 = 5 mm。（B）BFI装置的示意图，显示了细菌进样口的位置以及菌丝通过相互作用微通道的生长方向。通道深度为10 µm，宽度为100 µm，长度为7 mm，共包含28条观察通道。（C）Coprinopsis cinerea与Bacillus subtilis NCIB 3610在琼脂平板上的对峙实验（左侧），比例尺 = 20 mm；显微镜图像显示C. cinerea与B. subtilis NCIB 3610在微通道内的相互作用，即细菌极性附着于真菌菌丝上（中、右图）。比例尺 = 25 µm（中图）和10 µm（右图）。（D）FFI装置键合于玻璃底培养皿上的图像，两端分别接种菌丝块。比例尺 = 1 cm。（E）FFI装置的示意图。将两个真菌接种块分别引入装置两端的进样口，使菌丝可进入微通道进行探索。对照通道仅连接一个真菌进样口，并具有盲端结构，防止测试真菌之间发生相互作用。相互作用通道连接两个真菌进样口，允许测试真菌的菌丝在微通道内发生相互作用。每条相互作用通道由18个菱形区域组成，总长度为8.8 mm（每个菱形区域尺寸为490 × 430 µm），通道深度为10 µm，相邻菱形之间的连接区域宽20 µm。通道类型均有重复，比例尺 = 1 mm。（F）两条从相互连接的相互作用通道两端相向生长的菌丝前沿之间的相互作用区域。相差显微镜图像，比例尺 = 250 µm。本图中的各图板经修改自Stanley等，2014（A-C）40 和Gimeno等，2021（D-F）41。请点击此处查看该图的放大版本。

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方案

注意：本方案中所述步骤的摘要以图2直观展示。

微流控装置制备流程示意图；步骤包括模具制备、培养和显微镜分析。
图 2：本方案中所述方法的示意图，包含五个主要部分。 装置设计通过计算机辅助设计（CAD）软件完成，并采用光刻技术制造主模具（1）。利用该模具浇铸聚二甲基硅氧烷（PDMS），随后将PDMS切割成片状，并键合至底部为玻璃的培养皿上，形成微流控装置（2）。将研究中涉及的微生物进行培养（3），并用于接种装置（4）。通过显微镜观察微生物间的相互作用，并结合图像分析技术进行量化分析（5）。请点击此处查看该图的放大版本。

1. 主模具制备

  1. 光刻掩模制作
    1. 使用计算机辅助设计（CAD）软件生成微流控装置的设计图。所示装置的尺寸见图1，有关具体设计特征的更多细节在相应出版物中已有全面列出40,41。
    2. 以合适的格式（例如 .dwg、.dxf）导出CAD设计文件，并将该文件发送至商业供应商，用于打印胶片光刻掩模。
  2. 光刻
    注意：以下步骤应在无尘且光照可控的环境中进行，例如层流罩或洁净室设施内。此处提供的实验条件仅作为参考，需在实验室内自行优化。作者建议接受专门培训并参考成熟的实验方案42。
    1. 将100 mm硅片置于烘箱中，在200 °C下烘烤2小时。使用SU-8 2010光刻胶对硅片进行旋涂，目标厚度为10 µm，旋涂条件如下：500 rpm持续10秒（加速度100 rpm/s），随后3,000 rpm持续45秒（加速度300 rpm/s）。
      警告：SU-8光刻胶具有危害性，操作时应小心，避免吸入及皮肤接触。该物质易燃，可能具有致癌性，并对环境有毒。
    2. 将涂覆光刻胶的硅片在95 °C下烘烤2.5分钟（前烘）。使用胶片光刻掩模和掩模对准仪，在365 nm波长下以140 mJ/cm2的能量剂量对光刻胶进行紫外（UV）曝光。
    3. 将涂覆光刻胶的硅片在95 °C下烘烤3.5分钟（曝光后烘烤）。将硅片浸入显影液中并轻轻振荡3分钟，以去除未曝光区域的光刻胶，从而显现出微加工结构。
      警告：显影液可能易燃，操作和储存时应采取适当预防措施。
    4. 用新鲜显影液冲洗10秒。再用异丙醇冲洗10秒，然后用空气干燥。使用过滤后的压缩空气确保结构完全干燥。例如可使用台阶仪测量SU-8结构的高度。
    5. 通过施加50 mbar的真空压力，使用50 µL氯三甲基硅烷对每个母模进行硅烷化处理，持续2小时。作者指出，母模无需重复硅烷化处理。
      警告：氯三甲基硅烷为危险物质。操作时应穿戴适当的个人防护装备（PPE），小心处理，避免与皮肤和眼睛接触，防止吸入。远离点火源，并在通风良好的区域使用。

2. 器件制备

注意：以下步骤应在无尘环境中进行，例如在层流罩内。

  1. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）平板的制备
    1. 在洁净的塑料杯中，使用刮刀将基础剂与固化剂按10:1的比例充分混合，配制约40 g的PDMS。将含有PDMS的塑料杯置于真空腔室中（真空压力 = 50 mbar），抽真空1小时以去除所有气泡。
    2. 使用透明胶带将母模固定在塑料支架上，并用压缩过滤空气清洁，以去除任何灰尘颗粒。
      注：也可将铝箔包裹在玻璃培养皿周围，然后用其承载母模并容纳PDMS43。
    3. 将PDMS混合物倒入母模中心，确保其处于水平表面，并静置使其自然流平。
      注：应尽可能贴近母模表面倾倒PDMS混合物，并保持连续流动，以最大限度减少气泡引入。可通过向气泡吹压缩空气或使用细针挑除的方式去除气泡。
    4. 用塑料盖轻轻覆盖母模，防止灰尘颗粒落在PDMS表面。将母模转移至烘箱中，在70 °C下固化过夜。
    5. 从烘箱中取出母模并冷却。小心地将固化的PDMS从母模和塑料框架上剥离，注意避免损坏母模或PDMS。
    6. 在PDMS上印制的微通道表面贴上透明胶带，以保持无尘状态。在键合前务必去除胶带。
    7. 根据设计使用装有刀片的切片机或剃刀将PDMS切割成平板（即，若母模设计中包含多个装置，则一次浇铸可制作多个器件）。切割BFI PDMS平板的侧向开口时，确保微通道完全打开（图1A）。对于FFI PDMS平板，应修剪每个角落，使其能够适配图示的玻璃底培养皿（图1D）。
    8. 根据装置设计打孔进样口/出样口。使用精密打孔器分别为示例BFI和FFI装置打直径为3.18 mm和4.75 mm的进样孔。
  2. PDMS平板的键合以形成装置
    注：以下清洗步骤（2.2.1–2.2.2）使用装有纯化水（ddH2O）的超声波清洗仪（频率37 kHz）。清洗PDMS平板有助于提高键合成功率44并降低污染风险。操作PDMS平板时应使用洁净镊子，并通过进样孔夹持，避免损伤微通道或装置表面。
    1. 将PDMS平板浸入0.5 M NaOH溶液中，超声处理5分钟。用无菌ddH2O冲洗。将PDMS平板转移至70%乙醇溶液中，超声处理5分钟，再用无菌ddH2O冲洗。
    2. 将PDMS平板浸入无菌ddH2O中，超声处理5分钟。从无菌ddH2O中取出PDMS平板，用过滤压缩空气干燥，并放入无菌方形培养皿中。
    3. 将装有PDMS平板的方形培养皿置于70 °C烘箱中干燥1小时。从烘箱中取出后，在无尘环境中冷却。使用胶带和/或过滤压缩空气清除PDMS平板表面的灰尘。
    4. 使用等离子清洗仪对需键合的PDMS平板和玻璃底培养皿表面进行活化，设置参数如下：真空压力0.75 mbar，功率50%，处理时间1分钟。将待活化（随后键合）的表面朝上放置于等离子清洗仪中。
    5. 从等离子清洗仪中取出PDMS平板和玻璃底培养皿，轻轻将活化表面贴合在一起，实现紧密接触键合。将BFI和FFI PDMS平板分别键合至直径为35 mm和50 mm的玻璃底培养皿上（玻璃厚度0.17 mm）。
      注：键合时注意不要施加过大压力，以免导致微通道塌陷。
    6. 用镊子尝试将PDMS平板从玻璃底培养皿上剥离，以检查键合是否成功。通过肉眼或普通显微镜观察装置，确保接种入口或微通道无塌陷现象。
      ​注：对于饱和条件（即水饱和和/或营养丰富的条件），请执行本方案的步骤2.2.7；若需要非饱和水条件，则继续执行步骤2.2.8。装置可填充水或培养基。
    7. 键合后立即进行填充：对于BFI装置，向细菌进样口和侧向开口各加入100 µL所需溶液；对于FFI装置，向每个进样口加入30 µL培养基（共60 µL）。若存在气泡，由于PDMS具有多孔性，气泡将在填充后约10分钟内自行消散。
    8. 在培养皿中加入无菌ddH2O（约100–200 µL）以维持湿度。

3. 微生物培养

注意：以下步骤提供了真菌和细菌培养的一般微生物学操作流程，应在无菌条件下进行（即使用火焰或微生物安全柜），并符合目标微生物所需生物安全级别的防护要求。每个部分末尾均提供了特定目标物种的具体示例。

  1. 真菌培养
    1. 制备添加琼脂的所需培养基，在121 °C下高压灭菌15分钟。待培养基冷却至50 °C后，在无菌条件下倒入直径为9 cm的培养皿中。
    2. 使用打孔器从冰箱保存的所需真菌菌株斜面菌落中取出一个直径4 mm、含有菌丝体的琼脂块，以活化该分离株。此步骤旨在确保真菌在接种装置前生长状态一致且旺盛。
      注：微生物也可从甘油保存液中活化，即保存于含50%甘油溶液中、-70 °C条件下储存的琼脂块形式的真菌分离株41。
    3. 将带有菌丝体的一侧琼脂块置于未接种培养皿中央的琼脂表面。盖上皿盖并密封，于适宜目标菌株生长的温度下培养所需时间，通常约为3至4天。
      注：Trichoderma rossicum的示例培养条件：麦芽提取物琼脂培养基，25 °C避光培养48小时。
  2. 细菌培养
    1. 从原始保存菌种（例如甘油保存液或琼脂平板上的单菌落）中挑取所需细菌分离株，在琼脂平板上划线以获得单菌落，并确保无污染45。用封口膜密封平板。
    2. 根据目标菌株的特性，在特定温度和时间条件下培养，直至观察到单个菌落。
    3. 制备所需的液体培养基。例如，每1 L去离子水（ddH2O）中加入10 g胰蛋白胨、10 g NaCl和5 g酵母提取物，用于B. subtilis的LB培养基制备。在121 °C下高压灭菌15分钟。
    4. 待培养基冷却至室温后，在无菌环境中将其加入无菌培养瓶中。
    5. 使用无菌接种环接触琼脂平板上的单个细菌菌落，然后将接种环浸入无菌液体培养基中，轻轻触碰液体以完成接种。
    6. 用无菌瓶盖或铝箔密封培养瓶，并置于摇床培养箱中过夜培养，设置条件需符合所选菌种的要求。
      ​注：B. subtilis的示例培养条件：i) 液体培养——LB培养基中37 °C、200 rpm有氧培养；ii) 平板培养——LB琼脂平板上室温培养。有关不同真菌菌株培养的更多细节，请参见FFI/BFI相关文献40,41。

4. 装置接种

注意：以下步骤应在超净工作台内使用无菌设备进行。

  1. 真菌接种
    1. 使用已灭菌的打孔器（ø = 4 mm）从培养3天的菌落边缘切取一块琼脂块（步骤3.1），确保生长中的菌丝前端保持完整。
    2. 将琼脂块以菌丝面朝下的方式插入真菌入口，使菌丝前端的生长方向朝向微通道开口，以促进菌丝侵入通道。
    3. 对第二种真菌物种重复步骤4.1.1–4.1.2（若使用FFI装置），将琼脂块插入相对的入口。若使用BFI装置，则跳过此步骤，继续进行步骤4.1.4。
    4. 用透明封膜密封培养皿，并在黑暗条件下于25–28 °C培养至开始成像。根据拟观察的生物学事件（如真菌-真菌相互作用）以及真菌在装置内的生长速率，确定成像前的培养时间。
  2. 细菌接种
    1. 将过夜培养的细菌（步骤3.2）用步骤3.2.3中所述的相同培养基按1:25的比例稀释，于37 °C培养3小时。
    2. 通过离心（2000 × g，10分钟）收集菌体，弃去上清液，将菌体重悬于所需体积的0.9% w/v氯化钠溶液中。
    3. 再次离心以获得菌体沉淀，弃去上清液，将菌体重悬于液体培养基中（例如，C. cinerea 最小培养基，调节至OD600为1）。根据具体细菌菌株优化OD600值。
    4. 将BFI装置从培养箱中取出，在无菌环境中打开，用移液器将10 µL菌悬液加入细菌入口。
      ​注意：应针对具体的细菌-真菌相互作用优化接种时间。例如，若使用C. cinerea，可在真菌接种后18小时将细菌引入BFI装置。
    5. 用透明封膜密封培养皿，在黑暗条件下于25 °C培养至开始成像。装置需直立存放。

5. 显微镜观察与图像分析

  1. 显微成像
    注意：研究人员应根据实验性质选择合适的成像方法，例如倒置宽场落射荧光显微镜或共聚焦显微镜。此处提供了一般性概述，具体细节将取决于所选显微镜系统的配置。
    1. 开启显微镜计算机、显微镜主机（如适用）、相机、温控培养箱和光源。确保显微镜已正确设置，例如已正确应用柯勒照明，以实现样品的均匀照明。启动成像软件包。
      注意：使用温控培养箱时，应在开始实验前让显微镜温度平衡数小时。
    2. 将微流控装置安装到载物台插件中。确保装置已牢固固定（例如使用胶带），以防止在载物台移动过程中装置移位。
    3. 获取接种后装置的图像，例如单时间点或延时成像实验。有关BFI和FFI装置实验的相关详细成像参数，请参见前述出版物40,41。
      注意：通过相衬显微镜结合自动对焦软件获取明场图像，以观察菌丝在生长通道中的增殖情况，所用物镜为10倍放大、0.30数值孔径（NA）或20倍放大、0.45 NA。荧光报告蛋白的激发采用高功率发光二极管光源，其波长针对特定荧光团进行优化。
    4. 将图像导出为适合后续图像处理的格式，例如.tiff格式。
  2. 图像分析
    注意：作者推荐使用Fiji46作为图像分析工具，但也可使用其他软件包。以下示例来自已发表的BFI和FFI装置研究中使用Fiji进行的图像分析。这些步骤针对Mac系统，若使用PC可能略有不同。
    1. 菌丝生长速率测量
      注意：该方法已在BFI论文40中用于测量单个菌丝的生长速率。
      1. 下载、安装并启动Fiji。通过选择 文件 > 导入 > 图像序列 导入延时实验的图像序列。找到数据存储的文件夹并选择 打开。在 序列选项 窗口中选择 首选项，然后点击 确定。
      2. 从主工具栏中选择 直线 工具。通过点击并拖动光标，在生长中菌丝尖端的起始位置开始绘制直线，并延伸至窗口中的另一点。将出现一条黄色直线，并带有三个方框，分别表示直线的起点、中点和终点。
      3. 按住 Ctrl 和 > 键切换到图像序列的下一帧。通过选择并拖动方形方框，将直线的末端定位在生长中菌丝的尖端。
      4. 按住 Ctrl 和 M 键，测量直线的像素长度。结果 窗口将显示测量数据。定义结果窗口中显示的数据：点击 结果 窗口，然后选择 结果 > 设置测量值。
      5. 按住 Ctrl 键，然后按 > 键切换到图像序列的下一帧。通过选择并拖动方形方框，将直线的起点定位在生长中菌丝的尖端。
      6. 按住 Ctrl 键，然后按 M 键，测量直线的像素长度。结果 窗口将显示测量数据。
      7. 重复步骤5.2.1.5–5.2.1.6，直至完成对菌丝生长像素长度的全部测量。
      8. 选中 结果 窗口中的所有数据，复制并粘贴到其他软件程序中（例如电子表格）进行数据处理。绘制菌丝生长长度（以像素或微米为单位）随时间变化的曲线，并计算平均生长速率。每个实验至少进行三次生物学重复。
    2. 荧光强度测量
      注意：该方法已在FFI论文41中用于评估 Fusarium graminearum 8/1-wt-GFP 菌丝在与 Clonostachys rosea 016 接触后，其荧光强度随时间的变化。
      1. 下载、安装并启动Fiji。通过选择 文件 > 导入 > 图像序列 导入延时实验的图像序列。找到数据存储的文件夹并选择 打开。在 序列选项 窗口中选择 首选项，然后点击 确定。
      2. 使用主工具栏中的矩形工具指定感兴趣区域（ROI），以测量菌丝的绝对荧光强度。可通过以下方式精确设定方框大小：编辑 > 选择 > 指定；也可通过选择 编辑 > 选择 > 添加到管理器 将该ROI保存至ROI管理器，以供后续参考。
      3. 对整个图像序列或图像堆栈中的每一幅图像，测量所定义ROI内的绝对荧光强度（平均灰度值），操作如下：图像 > 堆栈 > 测量堆栈。当堆栈中所有图像处理完成后，结果 窗口将自动打开。
        注意：可通过以下方式定义 结果 窗口中显示的数据：点击 结果 窗口，然后选择 结果 > 设置测量值，确保已选中 平均灰度值。
      4. 选中 结果 窗口中的所有数据，复制并粘贴到其他软件程序中（例如电子表格），以绘制指定ROI的绝对荧光强度随时间变化的曲线。
      5. 重复步骤5.2.2.2–5.2.2.4，收集每个ROI的绝对荧光强度测量值，即目标菌丝上、目标菌丝旁或相应对照通道内的ROI。
      6. 计算适当的相对荧光强度（以任意单位AU表示），例如将目标ROI（目标菌丝）的绝对荧光强度除以对照ROI（对照通道）的绝对荧光强度。更多具体细节请参考FFI论文41。
      7. 每个实验至少进行三次生物学重复，并绘制相对荧光强度随时间变化的曲线。

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结果

以示例性的 BFI40 和 FFI41 装置展示了代表性结果。利用这些装置结合基础显微镜技术，可轻松获得菌丝生长速率的测量数据。图3A-B 描述了 C. cinerea 菌丝与 B. subtilis NCIB 3610 之间的细菌-真菌相互作用。B. subtilis 的存在在共接种后约 5 小时即抑制了 C. cinerea 的生长（图3B）。箭头指示同时观察到菌丝变细且透明度增加的形态学变化（图3A）。此外还观察到，未受影响的菌丝细胞仍继续增殖。图3C-D 显示了 F. graminear...

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讨论

本文介绍了一种利用通道微流控技术研究真菌-微生物相互作用的实验方案。作者旨在展示这些装置的多功能性，并鼓励根据研究人员的兴趣进行相应改进和应用。通过使用BFI和FFI这两种典型装置，可以比以往更详细地研究真菌-微生物之间的相互作用。通过消除土壤背景的复杂性和异质性，调控菌丝生长使其局限于单层结构，并精确控制环境参数，能够随时间连续获取这些生物学事件的高分辨率图像。利用这些装置，可通过生长速率、荧光定量以及形态特征的观察性生物成像等方法，对微生物伙伴之间的相互作用进行表征。

可以设计设备以实现对真菌-微生物相互作用在细胞水平上的表征。由于其设计灵活且易于操作，非专业人员也可使用本方案，适用于广泛的研究问题。BFI 和 FFI 设备具有透明特性和玻璃结合表面，可适配多种显微镜，满足不同的实验目标。设备在结构设计和理化参数方面均可定制；例如，湿度、温度或通道饱和度可改变测试对象所处的环境条件。此外，可通过设计通道结构、尺寸或引入障碍物等方式，使设备在物理上引导生物生长或诱发特定行为，如相互作用事件或导航策略。而现有的方法（如琼脂平板实验）则无法实现此类功能

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披露

作者声明无竞争利益。

致谢

我们感谢伦敦帝国理工学院生物工程系和利华休姆信托基金（研究资助编号：RPG-2020-352）提供的经费支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
琼脂Difco Laboratories214010用于在培养皿中固化细菌和真菌培养基
铝箔Fisher Scientific Ltd11759408
AutoCAD 2021Autodesk, USA
高压灭菌器（VX-75）Systec
离心机（5810R）Eppendorf
三甲基氯硅烷Merck Life Sciences386529注意：三甲基氯硅烷为危险物质。操作时应穿戴适当的个人防护装备，并小心处理。避免与皮肤和眼睛接触，防止吸入。远离点火源，并在通风良好的区域使用。
打孔器SLSCOR1000
显影液（mr-Dev 600）Microresist Technologies注意：mr-Dev 600 显影液易燃
锥形瓶VWR214-1108例如 200 mL；根据具体需求选择合适规格
乙醇（70% v/v） Fisher Scientific LtdE/0650DF/15由 99.8%（分析纯级）稀释而成
FijiImageJ图像处理的代表性软件包
过滤压缩空气大多数实验室的标准配置。也可使用无油空气压缩机配合调压装置。
平头晶圆镊子SLSINS5026
镊子Fisher Scientific Ltd10008051弯头、尖头
玻璃底培养皿World Precision InstrumentsFD35-10035 mm
玻璃底培养皿World Precision InstrumentsFD5040-10050 mm
玻璃结晶皿VWR216-1865用于清洗聚二甲基硅氧烷（PDMS）块
玻璃结晶皿VWR216-1866用于主模具的制备
玻璃培养基瓶Fisher Scientific Ltd15456113例如 250 mL；根据具体需求选择合适规格
玻璃注射器（Hamilton）Fisher Scientific Ltd10625251用于分装三甲基氯硅烷
加热板（HP 160 III BM）SAWATEC
接种环VWRCOPA175CS01
异丙醇Sigma-AldrichW292907
层流罩Air Science (PCR)用于设备制造的代表性层流罩
LB 培养基Fisher Scientific LtdBP9723-500用于细菌过夜培养的代表性营养肉汤
发光二极管光源系统（LedHUB）Omicron-Laserage Laserprodukte GmbH可用于成像真菌-微生物相互作用（荧光）的代表性光源
MA6 紫外光刻掩模对准仪Suss Microtec
麦芽提取物VWR84618用于制备代表性真菌培养基（麦芽提取物琼脂）
掩模写入仪Applied Materials4700DP可用于光刻掩模制作的代表性掩模写入设备
主模具塑料支架实验室自制的3D打印定制支架
微生物安全柜 （BioMat2）Contained Air Solutions用于微生物培养和设备接种的代表性微生物安全柜
Milli-Q纯水生物学实验室的标准配置。 
NaOHFisher Scientific LtdBP359-500
NIS-Elements Advanced Research 成像软件Nikon用于图像采集的代表性软件包
NIS-Elements Free ViewerNikon用于查看已采集图像的代表性软件包
烘箱（Binder BD115）Fisher Scientific Ltd15602126用于固化聚二甲基硅氧烷（PDMS）
烘箱（CLO-2AH-S）KOYO用于硅片的预处理
Parafilm 封口膜BemisHS234526B透明薄膜
方形无菌培养皿Fisher Scientific Ltd11708573120.5 mm
无菌培养皿Fisher Scientific Ltd1537036690 mm 
光刻掩模Micro Lithography Services Ltd. UK
等离子清洗机（Zepto）Diener Electronic100012601
塑料杯Semadeni8323
塑料刮刀Semadeni3340
便携式精密天平（OHAUS Scout）Fisher Scientific Ltd15519631用于称量 PDMS、培养基组分等
精密切割刀SyneoHS1251135P1183刀刃直径：3.18 mm
精密切割刀 SyneoHS1871730P1183S刀刃直径：4.75 mm
轮廓仪 BrukerDektak XT-触针式
剃须刀片Häberle Labortechnik9156110
冰箱Haden4–6 °C
Retiga R1 CCD 相机Qimaging可用于成像真菌-微生物相互作用的代表性相机
Scotch magic 透明胶带Office Depot396995419 mm 透明胶带；无色胶带
摇床培养箱（Cole-Parmer SI500）Fisher Scientific Ltd10257954
硅片Inseto100 mm
钠钙玻璃板Inseto125 mm × 125 mm × 2 mm。用于在掩模对准仪中固定光刻掩模
氯化钠Sigma-AldrichS7653
旋涂仪 SAWATECSM-180-BM
SU-8 2010 光刻胶MicroChem注意：SU-8 光刻胶具有危险性，操作时需谨慎，避免吸入及皮肤接触。易燃，可能具有致癌性，对环境有毒。 
Sylgard 184 弹性体试剂盒VWR634165S用于制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）装置
温控培养箱Okolab可用于成像真菌-微生物相互作用的代表性培养箱
Ti2-E 倒置落射荧光显微镜NikonMEA54000可用于成像真菌-微生物相互作用的代表性显微镜
超声波清洗机 S-LineFisher Scientific LtdFB15050
真空干燥器Fisher Scientific Ltd10528861硅烷化和 PDMS 脱气应在不同的干燥器中进行
x10/0.3 NA CFI Plan Fluor DL 物镜NikonMRH20105可用于成像真菌-微生物相互作用的代表性物镜
x20/0.45 NA CFI Plan Fluor DL 物镜NikonMRH48230可用于成像真菌-微生物相互作用的代表性物镜

参考文献

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