Универсальная система стеклянных банок для полугидропонного профилирования корневого экссудата
17 ноября 2023 г.
Мы представляем протокол для стеклянной полугидропонной экспериментальной системы, поддерживающей рост различных филогенетически различных растений с микробами или без них. Система совместима с различными питательными средами и позволяет проводить неразрушающий отбор проб корневого экссудата для последующего анализа.
Наши интенсивные сельскохозяйственные системы основаны на высоких затратах удобрений и пестицидов. Это вредно для окружающей среды, а также не является устойчивым. Таким образом, ключевые вопросы в исследованиях заключаются в том, как снизить эти затраты, сохраняя при этом урожайность наших культур.
Одним из многообещающих путей достижения этой цели является снабжение растений полезными микробами в полевых условиях. Однако для того, чтобы сделать это успешно, нам необходимо понимать сложные химические взаимосвязи между партнерами. Мы изучаем это взаимодействие, изучая корневой экссудат в нашей лаборатории.
Мы обнаружили, что корневая экссудация очень динамична. Она различается в зависимости от вида растений, стадии развития, а также суточных временных точек. Растения также реагируют на присутствие различных видов микробов, изменяя свой метаболический профиль.
Поскольку корневые экссудаты являются питательными веществами и сигналами для микробного сообщества, изучение профилей экссудации имеет решающее значение для понимания того, как растения взаимодействуют с микробами в окружающей среде. Разработки в области метаболомики, а также в технологиях секвенирования нового поколения действительно продвигают вперед область взаимодействия микробиома растений. Очевидно, что вам нужен рабочий процесс метаболомики для обнаружения соединения или соединений, представляющих интерес в данной системе.
И технологии секвенирования нового поколения действительно важны для понимания структуры, а также функций растительных микробиомов. Кроме того, очень полезно использовать специализированные системы роста или упрощенные системы роста, подобные той, которую мы здесь представляем, чтобы понять молекулярные механизмы взаимодействия микробов растений. Наша система может быть стерильной, но мы также можем инокулировать ее целевыми микроорганизмами.
Одна из задач, стоящих перед нами, заключается в обнаружении метаболитов в низкой концентрации в экссудате. Если фон низкий, то сделать это несложно. Если у нас есть гораздо более сложная среда, такая как почва, то это сложнее.
Еще одна нерешенная проблема заключается в том, что мы добавляем к картине микробы. Тогда невозможно отличить соединение, вырабатываемое растениями от микробов. Мы разработали систему, которая является недорогой и достаточно простой.
Его стерильная конструкция позволяет проводить последовательные эксперименты. Сначала растительные метаболиты отбрасываются. Затем растения инокулируют микробами, и здесь оценивают изменения в профиле метаболитов.
Это также позволяет выращивать различные виды растений в течение длительного периода времени. Подводя итог, можно сказать, что эта система хорошо подходит для многих областей применения.
Обзор
Данное исследование посвящено решению проблем устойчивого сельского хозяйства путем разработки стеклянной полугидропонной системы для выращивания различных растений. Эта система позволяет вводить полезные микроорганизмы и обеспечивает возможность неразрушающего отбора проб корневых экссудатов для изучения взаимодействий между растениями и микробами.
Основные компоненты исследования
Область исследования
- Взаимодействия растений и микробов
- Устойчивые методы сельского хозяйства
- Динамика корневых экссудатов
Теоретические основы
- Повышение устойчивости сельского хозяйства за счет сокращения использования химикатов
- Понимание роли корневой экссудации в динамике питательных веществ
- Значение метаболомики и секвенирования следующего поколения в изучении микробиомов
Используемые методы
- Разработка полугидропонной системы на основе стекла
- Используемые виды растений: Arabidopsis thaliana, пшеница, сорго, томат, Medicago truncatula
- Протоколы метаболомики и тестирования на стерильность
Основные результаты
- Система эффективно поддерживает различные виды растений на разных стадиях развития
- На динамику экссудата влияли виды растений и микробные взаимодействия
- Результаты подтвердили стабильное состояние здоровья растений в различных лабораторных условиях
Выводы
- Система на основе стекла универсальна для изучения взаимодействий между растениями и микробами
- Данное исследование способствует пониманию методов устойчивого сельского хозяйства
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Профилирование корневых экссудатов в контролируемых полугидропонных системах позволяет детально исследовать химические перекрестные взаимодействия между растениями и микробами, что способствует усилиям на этапе открытий по оптимизации полезных взаимодействий для устойчивого сельского хозяйства. Платформа на основе стеклянных банок обеспечивает среду с низким уровнем фонового шума и возможностью повторного использования для чувствительного детектирования метаболитов, что облегчает получение достоверных данных для различных видов растений и условий микробного состава. Данная возможность повышает точность прогнозирования в трансляционных исследованиях растительного микробиома и служит основой для обоснованного развития портфелей сельскохозяйственных биотехнологий с учетом рисков.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет проводить механистический анализ взаимодействий между растениями и микробами посредством контролируемого профилирования экссудатов.
- Способствует снижению биологических рисков за счет разделения вкладов растительных и микробных метаболитов.
- Облегчает функциональную валидацию потенциальных микробных консорциумов или генотипов растений.
- Повышает прогностическую достоверность для последующих трансляционных исследований.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированную систему с низким уровнем фонового шума для воспроизводимых рабочих процессов метаболомики.
- Поддерживает разработку анализа для количественного измерения экссудатов при различных условиях.
- Позволяет проводить масштабируемый скрининг комбинаций «растение-микроорганизм» с минимальным количеством вмешивающихся переменных.
- Подготавливает валидированные биологические образцы для масс-спектрометрии и других аналитических платформ.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет профилирование экссудатов с поиском трансляционных биомаркеров для оценки здоровья и продуктивности растений.
- Обеспечивает преемственность между контролируемыми исследовательскими экспериментами и доклинической валидацией в сложных условиях среды.
- Поддерживает принятие решений с учетом рисков при продвижении микробных или растительных кандидатов в сельскохозяйственных разработках.
- Обеспечивает механистическое снижение рисков для стратегий внедрения в полевых условиях.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Эта система со стеклянными банками объединяет этапы от первичного поиска до разработки анализа и трансляционных исследований, обеспечивая возможность итеративной проверки гипотез и валидации взаимодействий между растениями и микробами.
- Открытия в биологии: Поддерживает тестирование гипотез об обмене метаболитами между растениями и микроорганизмами.
- Скрининг: Обеспечивает воспроизводимые количественные данные об экссудатах для сравнительного анализа.
- Аналитика: Обеспечивает чувствительное обнаружение метаболитов, совместимое с рабочими процессами масс-спектрометрии.
- Трансляционные исследования: Связывает результаты контролируемых лабораторных исследований с доклиническими и полевыми исследованиями.
- Корпоративное повторное использование: Предлагает многоразовую масштабируемую платформу, адаптируемую к различным программам НИОКР.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает точность прогнозирования и снижает неопределенность механизмов в исследованиях взаимодействий растений и микробов.
- Операционная ценность: Стандартизирует рабочие процессы, повышает воспроизводимость и обеспечивает масштабируемость экспериментов.
- Стратегическая ценность: Помогает в принятии решений о целесообразности дальнейшего проведения исследований и повышает эффективность использования капитала в сельскохозяйственных НИОКР.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию растительных и микробных кандидатов для дальнейшего продвижения с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуются навыки работы в стерильных условиях, знания в области метаболомики и систем взаимодействия растений и микробов.
- Необходим доступ к масс-спектрометрии и аналитической инфраструктуре для профилирования экссудатов.
- Требуется стандартизация между исследовательскими группами для получения воспроизводимых данных.
- Метод применим к различным видам растений и микробным инокулятам.
- Низкий уровень фоновых метаболитов и возможность повторного использования обеспечивают устойчивость рабочих процессов.
