Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Биомиметическая репликация микроструктуры поверхности корня с использованием изменения мягкой литографии

Published: August 5, 2020 doi: 10.3791/61437
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Institute of Plant Sciences, Agricultural Research Organization (Volcani Center), 2Agro-NanoTechnology and Advanced Materials Center, Agricultural Research Organization (Volcani Center)

Summary

Биомиметика ранее использовалась в качестве инструмента для изучения взаимодействий листовых микроорганизмов. Однако такого инструмента для корней не существует. Здесь мы разрабатываем протокол для формирования синтетических поверхностей, имитирующих микроструктуру поверхности корней для изучения корневых взаимодействий с окружающей средой.

Abstract

Биомиметика – это использование химии и материальных наук для имитации биологических систем, в частности биологических структур, для улучшения человечества. В последнее время биомиметические поверхности, имитирующие микроструктуру поверхности листьев, были использованы для изучения влияния микроструктуры листьев на взаимодействие листьев-среды. Однако такого инструмента для корней не существует. Мы разработали инструмент, позволяющий синтетическую мимику микроструктуры поверхности корня в искусственную поверхность. Мы полагались на метод мягкой литографии, известный репликацией микроструктур на поверхности листьев, используя двухступенчатый процесс. Первый шаг является более сложным, поскольку он включает в себя биологические ткани. Здесь мы использовали различные полимера и лечения стратегии, опираясь на сильный, жесткий, полиуретан, вылечить УФ для корневой формования. Это позволило нам достичь надежного негативного изображения микроструктуры поверхности корня, включая тонкие, сложные функции, такие как корневые волосы. Затем мы использовали этот отрицательный образ в качестве шаблона для достижения репликации микроструктуры поверхности корня, используя как устоявшиеся полидилил силоксан (PDMS), а также производную целлюлозы, этил целлюлозы, которая представляет собой более тесную имитацию корня и которая также может быть деградирована ферментами целлюлозы, выделяемыми микроорганизмами. Эта вновь сформированная платформа может быть использована для изучения микроструктурных эффектов поверхности в корневых микроорганизмов взаимодействия таким же образом, что ранее было показано в листьях. Кроме того, система позволяет отслеживать расположение микроорганизмов, относительно поверхностных особенностей, а в дальнейшем его активность, в виде секреции целлюлазы.

Introduction

Репликация микроструктуры поверхности листа является известным методом в области исследований биомиметики1,,2,,3,4. Самые ранние репликации микроструктуры поверхности листа были выполнены с использованием лака для ногтей и резиновых материалов, нанесенных на поверхность листа для лучшей визуализации микроструктуры, в частности stomata5,,6,7,8,9,10. Метод был затем усовершенствован, и передовые полимеры были использованы для имитации микроструктуры поверхности листьев с помощью мягкой литографии, особенно в контексте биомиметики супергикофических поверхностей2,3,4,11,12. В последние годы этот метод был доказан в качестве полезного инструмента в изучении взаимодействия между поверхностью листьев и микроорганизмов, проживающих на поверхности, являются ли они патогенными13,14 или полезным, как часть естественной филлиосферы листьев15. Упрощение естественной системы оказалось чрезвычайно полезным при изучении поверхностно-микроорганизмных взаимодействий даже тогда, когда чисто синтетические системы использовались в качестве поверхностей15,,16,,17,,18.

В то время как репликация микроструктуры поверхности листьев была показана как полезный инструмент для изучения взаимодействия, происходящего на поверхности листа с различными микроорганизмами, такого инструмента для корней растений не существует. Корни растений труднее изучать, так как они находятся под землей, и все взаимодействия происходят в почве. Как и листья, микроструктура поверхности корня, вероятно, будет играть определенную роль в корневых и микроорганизмных взаимодействиях. Однако в настоящее время не существует метода изоляции конкретной роли микроструктуры поверхности корня в сложных корневых и микроорганизмных взаимодействиях. Наиболее изученной микроструктурной особенностью поверхности корня является корневыеволосы 19,,20,,21. Корневые волосы играют важную роль в увеличении площади поверхности и тем, что позволяет более эффективное потребление питательных веществ иводы 22, однако их участие в качестве структурной особенностью в корневых микроорганизмов взаимодействия никогда не были протестированы.

Наиболее широко используемым полимером для мягкой литографии в листьях является полидиметил силоксан (PDMS). PDMS свойства напоминают те из листа кутикулы15,23. Однако, в корнях растений, наиболее распространенным материалом является целлюлоза24,25, которая имеет различные свойства, чем у PDMS26,27,28., Использование PDMS для создания синтетической платформы для изучения эффектов микроструктуры поверхности в корневых взаимодействиях является, следовательно, менее чем идеальным.

Представленный здесь протокол позволяет формировать синтетическую микроструктурную реплику поверхности корня из различных материалов. Как и метод репликации микроструктуры поверхности листа, это двухступенчатый процесс. Первый шаг использует биологическую ткань (корень) в качестве источника для литья в полиуретановую форму (отрицательная реплика). Полиуретановая плесень, которая представляет отрицательное изображение микроструктуры поверхности корня, может быть использована в качестве основы для генерации положительной репликации микроструктуры поверхности корня из различных материалов, включая PDMS и производные целлюлозы. Эта репликация поверхности корня может быть позже использована в качестве платформы для понимания роли структуры поверхности в корневых взаимодействиях микроорганизмов.

Protocol

1. Выращивание растений и подготовка корней

  1. Вариант 1: Подготовка авантюрных корней из стебля.
    1. Возьмите укоренения лоток для выращивания растений.
    2. Заполните лоток с почвой.
    3. Добавьте одно семя томатного сорта M82 в каждую клетку в подносе.
    4. Обложка семена с небольшим количеством почвы.
    5. Вода лоток со дна с капельницы, как вода заполняет дно лотка и почва поглощает воду.
    6. Добавляйте 2 л удобрений на 1 л воды на дно лотка раз в неделю.
    7. Расти в растущей камере при 25 градусах Цельсия.
    8. Используйте условия освещения 9 ч света (7:00-16:00) чередуются с 15 ч темноты.
    9. Через 3 недели вынуть растение из почвы.
    10. Вырежьте корневую систему от растения в точке взаимодействия со стеблем.
    11. Положите безкорневое растение в стакан, наполненный водой.
    12. Через несколько дней, вырезать adventitious корни, которые выходят из стебля и использовать их для репликации.
  2. Вариант 2: Подготовка семени прорастающих корней.
    1. Влажные чашки Петри размера фильтровальная бумага с водой.
    2. Положите несколько семян M82 (не более 10) на бумагу, внутри чашки Петри.
    3. Инкубировать пластину при 25 градусов по Цельсию.
    4. Гидрат бумаги каждый день.
    5. После проросания корни достаточно долго (примерно 5 дней), удалить семена и использовать корни для репликации.

2. Приготовление корневой отрицательной реплики из полиуретана

  1. Для создания отрицательного раствора реплики добавьте 9,49 г диметакрилата диметакрилата в 20 мЛ.
    1. Добавьте 1,45 мл этилового метакрилата в флакон.
    2. Перемешать при комнатной температуре (RT) до тех пор, пока раствор не станет ясным и не станет однородным.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Приблизительно 2 ч достаточно для достижения однородного решения.
    3. Добавьте 3 мл пластификатора, дитил фталата и перемешайте 1 ч на RT.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Диэтил фталат ошибся в акрилат мономер.
    4. Добавьте 300 мл инициатора фото, 2-гидрокси-2-метилпропиофенона, и перемешайте на ночь на RT. Продолжайте помешивая, пока все пузырьки не будут удалены.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол можно приостановить здесь. Решение можно сохранить на RT.
  2. Чтобы создать отрицательную копию корня, возьмите чистый стеклянный слайд и залейте 1 мЛ отрицательного раствора реплики на нем.
    1. Поместите 2'u20123 корни над решением. Не допускайте, чтобы корни были полностью покрыты раствором.
    2. Держите слайд под 8 W ультрафиолетовый (УФ) лампы для 8'u201210 мин. Не держите раствор под ультрафиолетовым светом слишком долго.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Важно не держать раствор под ультрафиолетовым светом слишком долго, как это делает полиуретан слишком трудно, что делает невозможным удаление корня.
    3. Выключите УФ-лампу, снимите реплику со стеклянной горки и поместите ее в чашку Петри, наполненную этанолом, чтобы удалить неотредактированный мономер.
    4. Чтобы получить отрицательную реплику, удалите корень из реплики очень медленно с помощью щипцов.

3. Подготовьте корень положительной реплики из PDMS.

  1. Для создания смеси для положительной реплики, поместите 10 г диметил силоксан в бумажный стаканчик.
    1. Добавить 1 г лечащей вещества и тщательно перемешать.
    2. Держите смесь в детикаторе под вакуумом в течение 2 ч, чтобы удалить пузырьки воздуха.
  2. Чтобы создать положительную копию, поместите полиуретановую отрицательную реплику в чашку Петри.
    1. Налейте смесь PDMS поверх отрицательной реплики.
    2. Нанесите вакуум на 2 ч для обеспечения покрытия микроструктуры.
    3. Держите чашку Петри на ночь на RT.
    4. Отделить вылеченную положительную копию от отрицательной реплики вручную.

4. Подготовьте корень положительной реплики из этилового целлюлозы.

  1. Для создания этилового раствора целлюлозы, положить 1,32 мл диэтил пталата в качестве пластификатора в 100 мл чашки.
    1. Добавить 20 мл этанола и перемешать на RT в течение 2 ч.
    2. Добавить 3,3 г этилового солелу и перемешать на ночь.
  2. Чтобы создать положительную копию, поместите полиуретановую отрицательную реплику в чашку Петри.
    1. Налейте раствор этилового целлюлозы поверх отрицательной реплики.
    2. Держите чашку Петри на ночь на RT под капотом.
    3. Удалите положительную реплику из отрицательной реплики очень медленно щипцами.

Representative Results

Чтобы сформировать репликацию микроструктуры поверхности корня, корень должен быть выбран для литья. Мы выращиваем томатные растения в почве, что делает использование естественного корня из корневой системы чрезвычайно сложным. Удаление почвы из корневой системы может быть затруднено и дополнительно, корни корневой системы хрупкие и могут сломаться при попытке литья. Поэтому мы предлагаем сначала использовать более жесткие корни, чтобы установить протокол в лаборатории. Формирование таких корней описано на рисунке 1A. Корневая система растения удаляется после того, как растение было выращено в течение 3 недель, а безкорневое растение помещается в воду в течение недели, пока из стебля не вытекают самые претенциозные корни. Эти корни могут быть использованы для репликации во время создания протокола. После того, как протокол был хорошо установлен, желательно более реалистичное покрытие корневой поверхности. Здесь мы предлагаем избегать корней, выращенных в почве, как полное удаление почвы в чрезвычайно сложной задачей. Вместо этого мы предлагаем использовать прорастающие корни, поставляя ценную информацию о микроструктуре поверхности корня генетически специфического растения. Рост таких корней описан на рисунке 1B. Семена помещаются на влажную фильтровальную бумагу и инкубируют при 25 градусов по Цельсию. Примерно через 5 дней, в течение которых фильтровальная бумага сохраняется влажной, проросли корни достаточно долго для репликации. Эти корни являются более хрупкими, чем ранее предложенные корни и требуют более деликатного ухода.

Производство реплики микроструктуры поверхности корня представляет собой двухступенчатый процесс. На первом этапе естественный корень формируется в форму на основе полиуретана (отрицательная реплика). Преимущество этого шага заключается в том, что все материалы для полиуретановой формы готовятся и корень помещается на вершине подготовленного раствора в самом конце для 10 мин воздействия УФ. В результате, биологическая ткань не подвергается суровым условиям слишком долго и может быть мягко обработаны в конце процесса. Если следуют все шаги протокола, генерируется хорошая отрицательная реплика. Эта реплика покажет структуру клетки поверхности корня, а также отверстия, представляющие расположение корневых волос(Рисунок 2A). Если некоторые критические шаги в протоколе не выполняются, процедура не будет выполнена. Одним из таких шагов является размещение корня на полиуретановом растворе перед лечением. Корень должен быть помещен очень осторожно, чтобы избежать погружения его в полиуретаново решение. Такое погружение, любой части корня, вызовет захват корня в твердом полимере без возможности удалить его. Если такое событие происходит, корень останется в пределах отрицательной реплики после того, как он вылечился(Рисунок 2B). Другим важным шагом является лечение время УФ-излучения. Рекомендуемое время лечения составляет 8'u201210 мин. Переход мимо 10 мин приведет к чрезвычайно жесткой полиуретановой формы, что делает невозможным удалить корень, не нарушая его в полиуретановой формы. Поломка корня иногда может быть видна невооруженным глазом, например, при поломке большого куска(рисунок 2C, сверху, отмеченный фиолетовыми стрелками). Тем не менее, иногда мелкие кусочки корня остаются в материале, который трудно обнаружить невооруженным глазом и микроскоп должен быть использован(Рисунок 2C, дно, отмеченные фиолетовыми стрелками). Мы рекомендуем тщательно изучить полиуретановую отрицательную реплику с микроскопом до продолжения протокола, чтобы убедиться, что остаточного корня нет.

После того, как полиуретан отрицательные реплики подготовлены; многие материалы могут быть использованы для подготовки положительной реплики. Подготовка положительной реплики, используя полиуретановую отрицательную реплику в качестве формы, прямо вперед и полностью зависит от качества полиуретановой отрицательной реплики. Для создания положительной реплики мы использовали как PDMS-как это хорошо известно в области мягкой литографии(рисунок 3A)и этиловой целлюлозы в качестве материала, который лучше имитирует свойства корневой поверхности, которая в основном состоит из целлюлозы(рисунок 3B). Sem изображение реплики PDMS показывает волосы корня очень ясно. Волосы находятся в зоне удлинения, где они начинают появляться. Таким образом, длина корневых волос меняется вдоль поверхности корня, как они становятся длиннее, так же, как в естественном корне (Рисунок 3A). Этил целлюлоза генерирует более твердую и менее гибкую пленку, чем PDMS. Следовательно, удаление его из негативной формы требует большего ухода. Тем не менее, некоторые волосы и поверхностная микроструктура видны под световым микроскопом(рисунок 3B). Мы использовали эти два материала для создания положительной реплики, однако, любой материал, который может сформировать фильм будет хорошим кандидатом на положительные реплики, используя полиуретана отрицательной реплики.

Figure 1
Рисунок 1: Корни томатных растений для репликации. (A) Томатное (M82) растение выращивается при 25 градусах с 9 ч света и 15 ч темноты. Через 3 недели растение удаляется из почвы и корневая система отрезана. Безкорельное растение кладут в воду до тех пор, пока адвентиозные корни не выйдут из стебля примерно через неделю. Эти корни не показывают точную структуру, как корни корневой системы, но они представляют собой хорошую модель. Эти корни менее хрупкие, чем корни корневой системы, и поэтому они предпочитают работать с при создании техники в лаборатории. (B) Семена томатного (M82) помещаются на влажную фильтровальную бумагу в чашку Петри и инкубируют при 25 градусах Цельсия. Бумага увлажняется каждый день, и семена прорастают. Корни растут и примерно через 5 дней достаточно долго, чтобы быть использованы для репликации. Эти корни мягче и должны быть использованы, как только метод хорошо создан. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: Микроскопия изображения полиуретана отрицательной реплики. ()SEM изображение полиуретан отрицательной реплики, сделанные в соответствии с протоколом после всех шагов. Структура ячейки хорошо видна. желтые стрелки указывают на отверстия, образованные волосками в корне. (B) Свет микроскопии изображения полиуретана отрицательной реплики с корнем внутри него, как она была полностью покрыта раствором и удаление его было невозможно. Полиуретановый негатив был вылечен с корнем внутри. Корень виден глазом и с помощью световой микроскопии. Невозможно удалить этот корень из вылеченной реплики. (C) Свет микроскопии изображения полиуретана отрицательной реплики, которая хранилась под ультрафиолетовым светом слишком долго. В результате корень не может быть полностью удален из полимера ни крупными частицами, видимыми глазом (верхнее изображение, отмеченное фиолетовыми стрелками), ни небольшими фракциями, видимыми только под микроскопом (нижнее изображение, отмеченное фиолетовыми стрелками). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: Микроскоп изображения положительной реплики. (A) SEM микрограф положительной реплики из PDMS. Увеличение показывает корневые волосы. (B) Свет микроскопии изображения положительной реплики из этилового целлюлозы. Волосы отображаются на изображениях справа, в то время как текстура поверхности видна на изображении слева. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Мы представляем новый метод репликации микроструктуры поверхности корня. Этот метод опирается на существующие методы репликации микроструктуры поверхности листа4. Для того, чтобы разработать этот метод, мы должны были настроить существующий метод для листьев. Мы поняли, что проблематичный шаг в копировании метода репликации листьев в корни включает в себя первый шаг корневой литья. Это наиболее чувствительная часть метода, поскольку она включает в себя биологическую ткань. В результате, мы хотели выбрать полимер, который потребует относительно щадящих условий для лечения и, следовательно, вызывая минимальный ущерб биологической ткани. Мы выбрали полиуретан, потому что он может быть полимеризован быстро (в течение 10 мин) под ультрафиолетовым светом29. Кроме того, это очень трудно после полимеризации30, и мы надеялись, что это свойство позволит относительно легкое удаление корня из полиуретановой формы.

Представленный метод представляет собой двухступенчатый подход, при котором отрицательное изображение (отрицательная реплика) формируется на первом этапе, а репликация формируется на втором этапе, основанном на отрицательной реплике. Это расширяет спектр материалов, с которых мы можем работать. Репликация микроструктуры поверхности листьев в основном проводилась на PDMS или эпоксидных материалах11,,31. Некоторая работа была сделана с другими материалами, специфически материалами поддерживая рост микроорганизмов13,,32. Это связано с тем, что в последние годы этот метод используется для изучения взаимодействий между микроорганизмами и поверхностью в контексте структуры поверхности листьев. Однако в этом методе в контексте листьев не использовались материалы, похожие на целлюлозу. Мы предлагаем использовать полиуретановую отрицательную реплику в качестве формы и различные материалы для положительной реплики. Другими словами, сделать положительную копию из различных материалов, относительно легко, как только хорошая отрицательная реплика сделана. В настоящее время мы используем производные целлюлозы, но исследуем возможности использования более релевантных материалов для корневой поверхности, таких как пектин и лигнин33,34 в сочетании с производными целлюлозы.

Метод также расширяет существующий метод репликации микроструктуры поверхности листа, так как лист представляет собой 2D-поверхность, в то время как корневая поверхность изогнута и, следовательно, является 3D-поверхностью. Наш метод не позволяет реплицировать всю поверхность, так как встраивание всего корня в полиуретановой раствор не позволяет его высвобождение. Таким образом, одна сторона корня должна быть выбрана при репликации микроструктуры поверхности корня. Образуемая синтетическая поверхность изогнута и представляет примерно половину поверхности, но не все. Мы предполагаем, что структурные особенности поверхности корня в основном симметричны по оси вдоль длины корня. Однако в исследованиях, где такая симметрия не предполагается, следует быть осторожным, чтобы выбрать соответствующий боковой корень для репликации.

Мы представляем два варианта для корней, которые будут использоваться в качестве формы. Во-первых, вариант авантюрных корней, выращенных из стебля, а второй вариант проросли корни на бумаге. Первый вариант в основном предназначен для оказания помощи исследователям в практике метода, как эти корни являются более надежными и легче работать. Второй вариант представляет генетические различия, которые могут быть найдены между корнями различных сортов, независимо от условий окружающей среды. Эти поверхности могут быть использованы в качестве важных инструментов исследования, однако, следует знать, что окружающая среда может иметь сильное влияние на структуру поверхности корня, в частности почвы, в которой корни выращиваются35,36. Из-за механического стресса, нанесенного почвой, некоторые морфологические изменения обязательно произойдет, в дополнение к раны, направляющиеся на поверхности, как корень проникает в почву37. Удаление корней из почвы, а также их очистка, не повреждая их структуру, является очень сложной задачей. Таким образом, мы не оптимистично настроены в отношении способности использовать этот метод для надежной имитации микроструктуры корневой поверхности корней, выращенных в почве. Однако для исследований, которые сосредоточены на генетических различиях или экологических различиях, где изменение микроструктуры заметно ясно, этот метод может быть использован в качестве инструмента для изучения влияния микроструктуры поверхности корня.

Наш метод создает инертную поверхность, имитируя только микроструктурные свойства корневой поверхности. Хотя этот метод предназначен для отделения структурных эффектов в корневой среде взаимодействий от всех других эффектов, мы не можем игнорировать химических соединений в этих взаимодействиях. Некоторые микроорганизмы не могут выжить или функционировать на поверхности без добавления соединений, в частности питательных веществ. Следующим шагом в развитии этой платформы будет контролируемое добавление химических соединений для изучения их воздействия на различные взаимодействия в сочетании со структурой.

Этот метод был разработан как первый шаг в развитии синтетической платформы для изучения корневых взаимодействий микроорганизмов. Здесь мы имитируем микроструктуру поверхности корня, и эта начальная платформа может быть использована для изучения влияния поверхностной микроструктуры на поведение микроорганизмов. Тем не менее, эта платформа ограничена, так как ей не хватает многих других элементов из естественной системы. Эта платформа должна быть дополнительно разработана с использованием правильных материалов для генерации поверхности и с добавлением других, критических, химических веществ в систему. На более продвинутой платформе мы также можем представить пространственное распределение химических веществ. Однако, поскольку в настоящее время нет другого метода, чтобы изолировать структурные эффекты в корневых микроорганизмов взаимодействий, мы надеемся, что исследователи могли бы использовать эту начальную платформу, чтобы задать структуры конкретных вопросов в этих взаимодействиях.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Исследование было поддержано семенными фондами от Организации Сельскохозяйственных исследований до МК.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2-hydroxy-2-methylpropiophenone Sigma 405655
Diethyl phthalate Across 114520010
Diurethane dimetharylate Sigma 436909
Ethyl cellulose Across 232705000
Ethyl methacrylate Sigma 234893
Shaphir Solution GAT fertilizer 6-2-4
Sylgard 184 kit Polymer-G 510018400500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bhushan, B., Jung, Y. C., Niemietz, A., Koch, K. Lotus-Like Biomimetic Hierarchical Structures Developed by the Self-Assembly of Tubular Plant Waxes. Langmuir. 25, 1659-1666 (2009).
  2. Koch, K., Barthlott, W. Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces: an inspiration for biomimetic materials. Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences. 367, 1487-1509 (2009).
  3. Schulte, A. J., Koch, K., Spaeth, M., Barthlott, W. Biomimetic replicas: Transfer of complex architectures with different optical properties from plant surfaces onto technical materials. Acta Biomaterialia. 5, 1848-1854 (2009).
  4. Koch, K., Schulte, A., Fischer, A., Gorb, S., Barthlott, W. A fast, precise and low-cost replication technique for nano- and high-aspect-ratio structures of biological and artificial surfacese. Bioinspiration & Biomimetics. 3, 046002 (2008).
  5. Weyers, J. D. B., Johansen, L. G. Accurate Estimation of Stomatal Aperture From Silicone Rubber Impressions. New Phytology. 101, 109-115 (1985).
  6. Hilu, K. W., Randall, J. L. Convenient Method for Studying Grass Leaf Epidermis. Taxon. 33, 413-415 (1984).
  7. Sampson, J. A. Method of replicating Dry or Moist Surfaces for Examination by Light. Nature. 191, 932-933 (1961).
  8. Weyers, J. B. D., Travis, A. J. Selection and Preparation of Leaf Epidermis for Experiments on Stomatal Physiology. Journal of experimental botany. 32, 837-850 (1981).
  9. Groot, J. The Use of Silicone Rubber Plastic for Replicating Leaf Surfaces. Acta Botanica. Neerlandica. 18, 703-708 (1969).
  10. Wu, S., Zhao, B. Using Clear Nail Polish to Make Arabidopsis Epidermal Impressions for Measuring the Change of Stomatal Aperture Size in Immune Response. Plant Pattern Recognition Receptors. , 243-248 (2017).
  11. Wu, W., Guijt, R., Silina, Y., Koch, M., Manz, A. Plant leaves as templates for soft lithography. RSC Advances. 6, 22469-22475 (2016).
  12. Barthlott, W., Mail, M., Bhushan, B., Koch, K. Plant Surfaces: Structures and Functions for Biomimetic Innovations. Nano-Micro Letters. 9, 23 (2017).
  13. Zhang, B., et al. Fabrication of biomimetically patterned surfaces and their application to probing plant-bacteria interactions. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 12467-12478 (2014).
  14. Szyndler, M. W., Haynes, K. F., Potter, M. F., Corn, R. M., Loudon, C. Entrapment of bed bugs by leaf trichomes inspires microfabrication of biomimetic surfaces. Journal of the Royal Society Interface. 10, 20130174 (2013).
  15. Doan, H. K., Leveau, J. H. J. Artificial Surfaces in Phyllosphere Microbiology. Phytopathology. 105, 1036-1042 (2015).
  16. Chung, K. K., et al. Impact of engineered surface microtopography on biofilm formation of Staphylococcus aureus. Biointerphases. 2, 89-94 (2007).
  17. Sirinutsomboon, B., Delwiche, M. J., Young, G. M. Attachment of Escherichia coli on plant surface structures built by microfabrication. Biosystems Engineering. 108, 244-252 (2011).
  18. Bhattacharjee, A., Khan, M., Kleiman, M., Hochbaum, A. I. Effects of Growth Surface Topography on Bacterial Signaling in Coculture Biofilms. ACS Applied Materials and Interfaces. 9, 18531-18539 (2017).
  19. Measuring roots: an updated approach. Mancuso, S. , Springer Science & Business Media. (2011).
  20. Schneider, K., Wells, B., Dolan, L., Roberts, K. Structural and genetic analysis of epidermal cell differentiation in Arabidopsis primary roots. Development. 1798, 1789-1798 (1997).
  21. Dolan, L., et al. Clonal relationships and cell patterning in the root epidermis of Arabidopsis. Development. 2474, 2465-2474 (1994).
  22. Leitner, D., et al. A dynamic model of nutrient uptake by root hairs. New Phytology. 185, 792-802 (2010).
  23. Soffe, R., Bernach, M., Remus-emsermann, M. N. P., Nock, V. Replicating Arabidopsis Model Leaf Surfaces for Phyllosphere Microbiology. Scientific Reports. 9, 1-12 (2019).
  24. Sorieul, M., Dickson, A., Hill, S. J., Pearson, H. Plant fibre: Molecular structure and biomechanical properties, of a complex living material, influencing its deconstruction towards a biobased composite. Materials. 9, 618 (2016).
  25. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. Journal of the Royal Society Interface. 9, 2749-2766 (2012).
  26. Poletto, M., Pistor, V., Zattera, A. J. Structural characteristics and thermal properties of native cellulose. Cellulose-fundamental aspects. , 45-68 (2013).
  27. Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J. A., Simonsen, J., Youngblood, J. Cellulose Nanomaterials Review: Structure, Properties. Chemical Society Reviews. 40, 3941-3994 (2011).
  28. Johnston, I., McCluskey, D., Tan, C., Tracey, M. Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24, 035017 (2014).
  29. Yan-yan, W., Ying-wu, L., Bao-fang, L., Bo-geng, L. Water-soluble UV curable urethane methyl acrylate coating: preparation and properties. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 5, 906-911 (2004).
  30. Bao, L., Huang, Y. Synthesis and Properties of UV Curable Waterborne Polyurethane Acrylate Based on Modified Castor Oil. The pharmaceutical and chemical journal. 4, 34-40 (2017).
  31. Sharma, V., Orejon, D., Takata, Y., Krishnan, V., Harish, S. Gladiolus dalenii Based Bioinspired Structured Surface via Soft Lithography and Its Application in Water Vapor Condensation and Fog Harvesting. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 6981-6993 (2018).
  32. Soffe, R., Altenhuber, N., Bernach, M., Remus-Emsermann, M. N. P., Nock, V. Comparison of replica leaf surface materials for phyllosphere microbiology. PloS one. 14, 1-19 (2019).
  33. Whitehead, D. C., Buchan, H., Hartlay, R. D. Composition and decomposition of roots of ryegrass and red clover. Soil Biology and Biochemistry. 11, 619-628 (1979).
  34. Ververis, C., Georghiou, K., Christodoulakis, N., Santas, P., Santas, R. Fiber dimensions, lignin and cellulose content of various plant material and their suitability for paper production. Industrial crops and products. 19, 245-254 (2004).
  35. Croser, C., Bengough, A. G., Pritchard, J. The effect of mechanical impedance on root growth in pea (Pisum sativum). II. Cell expansion and wall rheology during recovery. Physiologia Plantarum. 109, 150-159 (2000).
  36. Lipiec, J., Horn, R., Pietrusiewicz, J., Siczek, A. Effects of soil compaction on root elongation and anatomy of different cereal plant species. Soil and Tillage Research. 121, 74-81 (2012).
  37. Potocka, I., Szymanowska-Pulka, J. Morphological responses of plant roots to mechanical stress. Annals of botany. 122, 711-723 (2018).

Tags

Биоинженерия выпуск 162 Корень Поверхность Микроструктура Синтетические Биомиметические Взаимодействие
Биомиметическая репликация микроструктуры поверхности корня с использованием изменения мягкой литографии
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kumari, P., Sayas, T., Kleiman, M.… More

Kumari, P., Sayas, T., Kleiman, M. Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography. J. Vis. Exp. (162), e61437, doi:10.3791/61437 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter