仿生学以前被用作研究叶-微生物相互作用的工具。但是,根不存在此类工具。在这里,我们开发一个协议,形成合成表面模仿根表面微观结构的研究根环境相互作用。
仿生学是利用化学和材料科学来模仿生物系统,特别是生物结构,以更好的人类。最近,仿效叶面的微观结构,用于研究叶微观结构对叶环境相互作用的影响。但是,根不存在此类工具。我们开发了一种工具,允许将根面微观结构合成为人造表面。我们依靠软光刻方法,以叶面微结构复制为名,采用两步法。第一步是更具挑战性的,因为它涉及生物组织。在这里,我们采用不同的聚合物和固化策略,依靠强、刚性、聚氨酯,用UV固化为根部成型。这使我们能够实现根面微观结构的可靠负面图像,包括细腻的,具有挑战性的功能,如根毛。然后,我们使用这个负图像作为模板,使用成熟的聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及纤维素衍生物乙基纤维素实现根面显微结构复制,该衍生物表示对根的更密切的模仿,也可以被微生物分泌的纤维素酶降解。这个新形成的平台可以用来研究表面在根-微生物相互作用中的微观结构效应,其方式与之前在叶子中显示的相似。此外,该系统使我们能够跟踪微生物的位置,相对于表面特征,并在将来其活动,以纤维素酶分泌的形式。
复制叶面微观结构是仿生学研究领域1、2、3、4,2,的一种已知方法。叶表面微观结构的最早复制是使用涂在叶表面的指甲油和橡胶材料进行,以便更好地可视化微结构,特别是波托马塔5,6,7,8,9,10。,6,7,8,9,10该方法随后得到改进,采用软光刻模拟叶片表面微观结构,特别是在超疏,水表面,2、3、4、11、12,3,4的仿生学背景下。11近年来,这种方法被证明是研究叶表面与生活在表面的微生物之间的相互作用的有用工具,无论它们是致病性的13、14,14还是有益,作为天然叶层15的一部分。自然系统的简化在研究表面微生物相互作用方面证明极为有用,即使纯合成系统被用作表面15、16、17、18。15,16,17,18
虽然叶表面微观结构的复制证明是研究叶子表面与不同微生物相互作用的有用工具,但植物根部不存在这种工具。植物根部更难研究,因为它们位于地下,所有相互作用都发生在土壤中。与叶子类似,根面微观结构很可能在根-微生物相互作用中发挥作用。然而,目前还没有一种方法可以分离根面微结构在复杂根-微生物相互作用中的具体作用。研究最多的根面微结构特征是根毛19,20,21。,2119,根毛在增加表面积和允许更有效地摄入营养物质和水22方面起着重要作用,然而它们作为根-微生物相互作用的结构特征的介入从未经过过测试。
叶中软光刻使用最广泛的聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。PDMS的特性类似于叶角质层15,23。15,然而,在植物根部,最丰富的材料是纤维素24,25,,25其性质不同于PDMS26,27,28。,27,28因此,利用PDMS构建一个合成平台,研究根-环境相互作用中的表面微观结构效应。因此,这不太理想。
此处介绍的协议能够形成各种材料的合成根面微观结构复制品。与叶面微观结构复制的方法一样,这是一个两步过程。第一步使用生物组织(根)作为成型成聚氨酯模具(负复制品)的来源。聚氨酯模具代表根面微观结构的负图像,然后可以用作基材,从各种材料(包括PDMS和纤维素衍生物)生成根面微观结构的正复制。这种根面复制以后可以用作平台,以了解表面结构在根-微生物相互作用中的作用。
提出了一种复制根面微观结构的新方法。该方法依赖于现有的叶面微观结构复制方法4。为了开发这种方法,我们不得不调整现有的叶子方法。我们意识到将叶复制方法复制到根中时有问题的步骤涉及根成型的第一步。这是方法最敏感的部分,因为它涉及生物组织。因此,我们希望选择一种聚合物,这种聚合物需要相对温和的固化条件,从而对生物组织造成最小的损伤。我们之所以选择聚氨酯,是因为它可以在紫外线29下快速聚合(10分钟内)。此外,它是非常困难的一次聚合30,我们希望,该属性将允许相对容易地从聚氨酯模具根部去除。
提出的方法是一种两步方法,其中负映像(负副本)在第一步中形成,复制在第二步中基于负副本形成。这扩展了我们可以使用的材料的范围。叶面微结构复制主要在PDMS或环氧材料11、31,上进行。一些工作是用其他材料,特别是支持微生物生长的材料13,32。,32这是因为近年来,这种方法已被用于研究叶表面结构背景下的微生物-表面相互作用。然而,在叶子的上下文中,这种方法没有使用任何纤维素状材料。我们建议使用聚氨酯负复制品作为模具和各种材料的正复制品。换句话说,一旦制作了好的负副本,从各种材料制作正副本就相对容易了。我们目前使用纤维素衍生物,但正在探索使用更相关的材料根面的可能性,如果胶和木质素33,34结合纤维素衍生物。33,
该方法还扩展了现有的叶面微观结构复制方法,因为叶是 2D 曲面,而根面是弯曲的,因此是 3D 曲面。由于将整个根嵌入聚氨酯溶液中不允许其释放,因此我们的方法无法复制整个表面。因此,在复制根面微观结构时,必须选择根的一侧。生成的合成曲面是弯曲的,大约占表面的一半,但并不是所有的曲面。我们的假设是,根面的结构特征大多与沿根长的轴对称。但是,在未假定这种对称性的研究中,应小心选择适当的侧根进行复制。
我们提出了两个选项,用于根作为模具。第一种选择是从茎中生长的冒险根,第二种选择是纸上发芽根。第一种选择主要是帮助研究人员练习这种方法,因为这些根更健壮,更容易使用。第二个选项表示不同品种的根之间可以发现的遗传差异,无论环境条件如何。这些表面可以作为重要的研究工具,但是,人们应该知道,环境可以对根面结构产生强烈的影响,特别是土壤中根生长35,36。35,由于土壤造成的机械应力,一些形态变化势必会发生,除了根部渗入土壤37时表面的伤口外,还会发生。从土壤中去除根,以及清洁它们,而不损害其结构是一个非常困难的任务。因此,我们对使用这种方法可靠地模拟土壤中根根的根面微观结构的能力并不乐观。然而,对于关注遗传差异或环境差异的研究,在微观结构的变化是明显明显的,此方法可以用作研究根面微观结构的影响的工具。
我们的方法只产生一个惰性表面,只模拟根面的微观结构特性。虽然这种方法旨在将根-环境相互作用的结构效应与所有其他效应分开,但我们不能忽视这些相互作用中的化合物。如果不添加化合物,特别是营养物质,某些微生物可能无法在表面生存或发挥作用。该平台的下一步将是控制添加化合物,以研究它们与结构结合时对不同相互作用的影响。
该方法是开发研究根-微生物相互作用的合成平台的第一步。在这里,我们模拟根面的微观结构,这个初始平台可用于研究表面微观结构对微生物行为的影响。然而,这个平台是有限的,因为它缺乏许多其他元素从自然系统。应利用正确的材料生成表面,并在系统中添加其他关键化学品,进一步开发这一平台。在一个更先进的平台中,我们也可以想象化学品的空间分布。然而,由于目前没有其他方法来分离根-微生物相互作用的结构效应,我们希望研究人员能够利用这个初始平台在这些相互作用中提出结构特定的问题。
The authors have nothing to disclose.
研究得到了农业研究组织向MK的种子基金的支持。
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 |