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Vi presentiamo un nuovo metodo per la replica della microstruttura superficiale della radice. Questo metodo si basa sui metodi esistenti di replica della microstruttura della superficie fogliare4. Al fine di sviluppare questo metodo, abbiamo dovuto modificare il metodo esistente per le foglie. Ci siamo resi conto che il passo problematico nella copia del metodo di replica foglia nelle radici comporta il primo passo dello stampaggio della radice. Questa è la parte più sensibile del metodo in quanto coinvolge il tessuto biologico. Di conseguenza, volevamo scegliere un polimero che richiedesse condizioni relativamente delicate per la stagionatura e quindi causando danni minimi al tessuto biologico. Abbiamo scelto il poliuretano perché può essere polimerizzato rapidamente (entro 10 min) sotto la luce UV29. Inoltre, è molto difficile una volta polimerizzato30 e speravamo che questa proprietà avrebbe permesso la rimozione relativamente facile della radice dallo stampo poliuretano.
Il metodo presentato è un approccio in due passaggi in cui l'immagine negativa (replica negativa) viene formata nel primo passaggio e la replica viene formata nel secondo passaggio, in base alla replica negativa. Questo estende la gamma di materiali con cui possiamo lavorare. La replica della microstruttura di superficie fogliare è stata eseguita principalmente su PDMS o su materiali epossidici11,31. Alcuni lavori sono stati fatti con altri materiali, in particolare materiali a sostegno della crescita del microrganismo13,32. Questo perché negli ultimi anni questo metodo è stato utilizzato per studiare le interazioni microrganismi-superficie nel contesto della struttura della superficie fogliare. Tuttavia, nessun materiale simile alla cellulosa è stato utilizzato in questo metodo nel contesto delle foglie. Suggeriamo l'uso di una replica negativa in poliuretano come stampo e una varietà di materiali per la replica positiva. In altre parole, rendere la replica positiva, da una varietà di materiali, è relativamente facile una volta che viene fatta una buona replica negativa. Attualmente utilizziamo derivati di cellulosa, ma stiamo esplorando le possibilità di utilizzare materiali più rilevanti per la superficie della radice come la pectina e la lignina33,34 in combinazione con i derivati della cellulosa.
Il metodo si espande anche sul metodo esistente di replica della microstruttura della superficie fogliare poiché la foglia è una superficie 2D mentre la superficie della radice è curva e quindi è una superficie 3D. Il nostro metodo non consente la replica dell'intera superficie poiché l'incorporamento dell'intera radice nella soluzione di poliuretano non ne consente il rilascio. Pertanto, un lato della radice deve essere scelto durante la replica della microstruttura della superficie della radice. La superficie sintetica generata è curva e rappresenta circa la metà della superficie, ma non tutta. Il presupposto è che le caratteristiche strutturali della superficie della radice siano per lo più simmetriche attorno all'asse lungo la lunghezza della radice. Tuttavia, negli studi in cui tale simmetria non è assunta, si dovrebbe fare attenzione a scegliere la radice laterale appropriata da replicare.
Vi presentiamo due opzioni per le radici da utilizzare come stampi. Il primo è la possibilità di radici avventurose coltivate dal gambo e il secondo è la possibilità di radici germinate sulla carta. La prima opzione è per lo più destinata ad assistere i ricercatori nella pratica del metodo in quanto queste radici sono più robuste e più facili da lavorare. La seconda opzione rappresenta le differenze genetiche che si possono trovare tra le radici di diverse cultivar, indipendentemente dalle condizioni ambientali. Queste superfici possono essere utilizzate come importanti strumenti di ricerca, tuttavia, bisogna essere consapevoli del fatto che l'ambiente può avere una forte influenza sulla struttura della superficie della radice, in particolare sul terreno in cui le radici sono cresciute35,36. A causa della sollecitazione meccanica inflitta dal suolo, alcuni cambiamenti morfologici sono destinati ad accadere, oltre alle ferite che maturano sulla superficie come la radice penetra il suolo37. La rimozione delle radici dal suolo, così come la pulizia, senza danneggiare la loro struttura è un compito molto difficile. Pertanto, non siamo ottimisti sulla capacità di utilizzare questo metodo per imitare in modo affidabile la microstruttura superficiale della radice delle radici coltivate nel suolo. Tuttavia, per la ricerca che si concentra sulle differenze genetiche o ambientali in cui il cambiamento nella microstruttura è notevolmente chiaro, questo metodo può essere utilizzato come strumento per studiare l'influenza della microstruttura superficiale della radice.
Il nostro metodo produce un'inerte superficie che imita solo le proprietà microstrutturali della superficie della radice. Mentre questo metodo è progettato per separare gli effetti strutturali nelle interazioni radice-ambiente da tutti gli altri effetti, non possiamo ignorare i composti chimici in tali interazioni. Alcuni microrganismi non possono sopravvivere o funzionare sulla superficie senza l'aggiunta di composti, in particolare i nutrienti. Il prossimo passo nello sviluppo di questa piattaforma sarà l'aggiunta controllata di composti chimici per studiare i loro effetti sulle diverse interazioni quando combinato con la struttura.
Questo metodo è stato sviluppato come primo passo nello sviluppo di una piattaforma sintetica per studiare le interazioni radice-microrganismo. Qui imitiamo la microstruttura della superficie della radice e questa piattaforma iniziale può essere utilizzata per studiare l'influenza della microstruttura superficiale sul comportamento del microrganismo. Tuttavia, questa piattaforma è limitata in quanto manca di molti altri elementi del sistema naturale. Questa piattaforma dovrebbe essere ulteriormente sviluppata con l'uso dei materiali giusti per generare la superficie e con l'aggiunta di altri prodotti chimici critici nel sistema. In una piattaforma più avanzata, possiamo anche immaginare la distribuzione spaziale delle sostanze chimiche. Tuttavia, poiché attualmente non esiste un altro metodo per isolare gli effetti strutturali nelle interazioni radice-microrganismo, speriamo che i ricercatori possano utilizzare questa piattaforma iniziale per porre domande specifiche della struttura in tali interazioni.