Почва представляет собой исключительно разнообразную среду, содержащую обилие микроорганизмов, которые играют важную роль в углеродных и фосфорных циклах 1,2. Нитевидные грибы являются основным компонентом многочисленных экосистем в качестве разлагателей органического и неорганического вещества и могут усиливать питание растений путем формирования симбиотических отношений 3,4. В почве грибы динамически взаимодействуют с множеством микробов, таких как другие грибы5, бактерии6, вирусы7 и нематоды8. Эти взаимодействия имеют значительные последствия для здоровья почвы и растений. Тем не менее, из-за отсутствия соответствующих экспериментальных систем, способных визуализировать взаимодействующие микроорганизмы с высоким разрешением, многие из них остаются неопределенными.
Исследования, касающиеся бактериально-грибковых взаимодействий (BFI) и грибково-грибковых взаимодействий (FFI), имеют ценное применение в целом ряде областей, включая противомикробные препараты в медицине и агенты биологического контроля в сельском хозяйстве. Например, гриб Coprinopsis cinerea продуцирует пептид копсин, который, как было показано, проявляет антибактериальную активность против патогена человека Listeria monocytogenes9. Аналогичным образом, грибковое соединение, гризеофульвин, широко используется в качестве лечения грибковых инфекций человека и дополнительно способно ингибировать рост растительного патогенного гриба Alternaria solani10,11. Было также продемонстрировано, что несколько штаммов почвенной бактерии Bacillus subtilis являются эффективными агентами биоконтроля грибкового патогена растений Rhizoctonia solani12,13. Тем не менее, из-за ограничений, связанных с традиционными методологиями, BFI и FFI плохо понимаются на уровне одиночных клеток.
Обычные исследования обычно исследуют BFI и FFI на макроуровне с использованием агаровых пластин с двумя или более видами в противостоянии. Их взаимодействие оценивается путем измерения темпов роста и выработки метаболитов противостоящих видов 14,15,16; однако эта методология распространяется только на колониальный уровень. Для изучения взаимодействий на клеточном уровне бактериальные и грибковые инокулянты могут культивироваться на предметных стеклах микроскопа, покрытых агаром, которые затем визуализируются под микроскопом17. Тем не менее, может быть трудно проследить за одной гифой с помощью слайдов микроскопа из-за отсутствия удержания, что означает, что покадровые изображения труднее получить. Кроме того, возможность пространственно ограничивать другие микроорганизмы в пределах определенных областей грибкового мицелия или создавать определенные химические среды, которые могут быть нарушены, например, невозможна в таких установках. Характер почвы «черного ящика» также усложняет изучение грибково-микробных взаимодействий на уровне одиночных клеток18. Наблюдая за взаимодействующими видами вдали от невероятного разнообразия почвенного микробиома, можно оценить точный способ взаимодействия отдельных членов. Таким образом, сохраняется потребность в универсальных платформах, которые обеспечивают одноклеточную визуализацию BFI и FFI с высоким разрешением.
Микрофлюидные технологии, так называемые системы lab-on-a-chip, обеспечивают идеальную платформу для изучения BFI и FFI на уровне одиночных клеток. Область микрофлюидики, происходящая из технологий, разработанных для химического анализа и микроэлектроники, была принята биологическими науками19. Микрофлюидные технологии регулируют небольшие объемы жидкостей в специальной сети миниатюрных каналов, имеющих по меньшей мере одно измерение в микрометровом масштабе, и их использование в биологических исследованиях расширяется20. В частности, разработаны микрофлюидные устройства для изучения роста нитевидных грибов 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Одним из преимуществ использования этой технологии является то, что ограничение гиф и распределение питательных веществ в микроканалах более близко напоминает структуру почвенной среды, чем обычные агаровые методы31. В последнее время микрофлюидные платформы используются для исследования взаимодействий между нейтрофилами человека и грибковыми патогенами32, бактериями и корнями растений33, а также грибами и нематодами34,35.
Одним из многих преимуществ использования микрофлюидики для изучения микробных взаимодействий является специфический контроль микроканальной среды. Например, ламинарные режимы потока могут быть использованы для генерации определенных градиентов концентрации, что особенно полезно при исследовании бактериального хемотаксиса36. Другим преимуществом является то, что прозрачная природа поли(диметилсилоксана) (PDMS), недорогого, биосовместимого эластомерного полимера, обычно используемого при изготовлении микрофлюидных устройств, облегчает визуализацию одиночных клеток с высоким разрешением с использованием ярко-полевой и флуоресцентной микроскопии37. Аналогичным образом, ограничение микробов в микроканалах означает, что могут быть проведены покадровые эксперименты, отслеживающие отдельные клетки, позволяющие регистрировать и количественно оценивать отдельные клеточные ответы37. Наконец, поскольку микрофлюидные устройства могут быть спроектированы так, чтобы быть удобными для пользователя, они могут быть легко использованы неспециалистами38.
Углубление знаний о взаимодействии между почвенными микроорганизмами имеет важное значение для совершенствования практики устойчивого управления экосистемами, которая поддерживает биоразнообразие и смягчает воздействие изменения климата на наземную среду39. Таким образом, разработка новых микрофлюидных инструментов имеет основополагающее значение для расширения понимания грибов и их взаимодействий на клеточном уровне. Протокол здесь будет сосредоточен на двух микрофлюидных устройствах, произведенных для изучения BFI40 и FFI41, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Визуальное и схематическое представление устройств бактериально-грибкового взаимодействия (BFI) и грибково-грибкового взаимодействия (FFI). (A) Изображение устройства BFI. Мицелиальная пробка размещается на входе в один конец микроканалов, чтобы обеспечить рост гифы в устройстве. Бактериальное входное отверстие находится на противоположном конце. Шкала = 5 мм. (B) Схематический обзор устройства BFI, изображающий позиционирование бактериальных входов и направление роста гифаля через микроканал взаимодействия. Каналы имеют глубину 10 мкм, ширину 100 мкм и длину 7 мм, всего 28 каналов наблюдения. (C) Анализ противостояния на агаровой пластине между Coprinopsis cinerea и Bacillus subtilis NCIB 3610, шкала бар = 20 мм (слева). Микроскопические изображения, показывающие взаимодействие между C. cinerea и B. subtilis NCIB 3610 в пределах микроканала (средний и правый), т. е. полярное прикрепление бактерий к грибковым гифам. Шкала стержня = 25 мкм (посередине) и 10 мкм (справа). (D) Изображение устройства FFI, прикрепленного к чашке Петри со стеклянным дном, двойной инокулированной мицелиальными пробками. Шкала = 1 см. (E) Схематический обзор устройства FFI. Две заглушки грибкового инокулянта вводятся во входные отверстия на обоих концах устройства, что позволяет гифальное исследование микроканалов. Контрольные каналы соединены только с одним грибковым входом и имеют тупиковый канал, предотвращая взаимодействие между тестовыми грибами. Каналы взаимодействия соединяют оба грибковых входа и позволяют гифальные взаимодействия между испытуемыми в микроканале. Каждый канал взаимодействия состоит из 18 алмазообразных секций, общей длиной 8,8 мм (490 x 430 мкм на алмаз), глубиной 10 мкм и имеющих соединительную область между каждым алмазом 20 мкм. Типы каналов дублируются, шкала баров = 1 мм. (F) Зона взаимодействия между двумя приближающимися гифальными фронтами, растущая с противоположных концов взаимосвязанного канала взаимодействия. Изображение фазово-контрастной микроскопии, шкала = 250 мкм. Панели на этом рисунке были изменены из Stanley et al., 2014 (A-C)40 и Gimeno et al., 2021 (D-F)41. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.