我们提出了一种基于玻璃的半水培实验系统的方案,该系统支持各种系统发育上不同的植物的生长,有或没有微生物。该系统与不同的生长培养基兼容,并允许对下游分析进行无损根系渗出物采样。
根系分泌物塑造植物-土壤界面,参与养分循环并调节与土壤生物的相互作用。根系渗出物是动态的,并受生物、环境和实验条件的影响。由于其广泛的多样性和低浓度,准确的渗出物谱很难确定,在存在其他生物的自然环境中更是如此,将植物衍生的化合物翻转并自行产生其他化合物。这里介绍的半水培玻璃罐实验系统可以控制生物、环境和实验因素。它允许各种系统发育不同的植物物种在各种不同的生长培养基中生长长达数月,无论有没有微生物。玻璃基设计提供低代谢物背景,可重复使用,因此可重复使用,因此具有高灵敏度和低环境影响。渗出物可以无损取样,如果需要,可以在实验过程中改变条件。该装置与质谱分析和其他下游分析程序兼容。总之,我们提出了一种多功能生长系统,适用于各种条件下的敏感根系渗出物分析。
在人口稠密的土壤中,根际呈现出富含碳的生态位。它由植物根系通过渗出高达 20% 的同化碳形成,并含有与常驻土壤微生物组1、2、3、4、5、6 不同的微生物群落。随着研究人员正在挖掘根系相关微生物的有益功能以及随之而来的可持续农业潜力7,这种通常被称为根际效应的观察结果一直是日益增长的科学努力的焦点。然而,到目前为止,微生物和植物之间的化学对话被认为是根际效应的驱动因素,仍然知之甚少,因此,对农业中开发可靠微生物解决方案的机理理解是有限的8,9,10。
在土壤环境中破译根系分泌物并不容易,因为土壤环境中的代谢物很容易被土壤颗粒吸收并迅速被微生物群落转化,特别是对于具有细根系的植物物种,例如模式植物 拟南芥11。 这就是为什么在大多数研究中,根系渗出物是从水培系统中取样的。在这些微观世界中,植物的地上部分由定制的植物支架或更低调的材料(如网状、琼脂和玻璃珠)固定到位。使用的容器范围从多孔板上的培养皿到带或不带曝气过滤器的各种定制和商业箱12、13、14、15、16、17、18、19。根据系统的不同,植物的生长条件会有很大的不同,并或多或少地反映自然条件。
在这里,我们提出了一种基于玻璃的半水培系统,该系统在实验上是可行的,并产生高度可重复的结果。它易于组装和使用,并且基于常用材料。该系统基于一个装满玻璃珠的玻璃罐,利用了玻璃器皿的可重复使用性和低结合特性(图1)。与水培装置相比,珠子为生长中的植物提供物理支撑并模拟机械阻抗,有助于形成更像土壤的根系结构19,20,21。如果接种了微生物,玻璃珠会呈现细菌附着的表面。
玻璃罐可以关闭以保持无菌,系统的设计允许足够的顶部空间和空气流通,避免湿度饱和的环境。这些罐子适合不同植物物种的长期生长,可以使用不同尺寸的罐子按比例放大和缩小。这里显示了六种植物的应用,涵盖 C3 和 C4 草、双子叶植物和豆科植物。其中包括模式种拟南芥(双子叶植物)、短足双子叶植物(C3单子叶植物)、蒺藜(豆科植物),以及番茄、双子叶植物、小麦(小麦、C3单子叶植物)和双色高粱(高粱、C4单子叶植物)等作物物种。提出的方案包括系统的实验设置、六种植物物种的种子灭菌和发芽、将幼苗移植到罐子、不同的生长培养基、微生物接种、根系分泌物取样和分泌物处理以进行分析。
这里介绍的实验系统基于玻璃罐和玻璃珠,因此提供了一个简单、低维护和多功能的半水培系统来研究各种情况下的根部渗出。它已被用于研究不同植物物种的渗出剖面25,渗出对不同生长条件的响应25,以及土壤理化性质对渗出的影响22。该系统适用于在这里测试的所有植物物种,生长期从数周到数月不等。无菌条件的维持很简单,细菌接种也很简单,细菌在分析的 2 周生长期内持续存在。因此,该实验系统不仅允许在无菌条件下受控收集根系分泌物,而且还可用于研究植物与微生物的相互作用。此外,植物生长培养基可以变化以研究对不同营养水平的代谢反应,并且可以通过适应光照条件或使用不同尺寸的罐子来调整生长期。
在水培或半水培条件下研究根系渗出物仍然是该领域的标准,这主要是因为低浓度代谢物的分辨率提高11。许多水培方法依赖于培养皿、多孔板或其他小容器,这些容器允许无菌和高通量,但将实验限制在高湿度环境中生长的小植物或幼苗17,18,26,27。在所展示的玻璃罐设置中,相对较大的罐子提供了足够的顶部空间,从而延长了生长期。微孔带条可确保空气交换,同时保持无菌。因此,即使是大麦和玉米等高大的单子叶植物也可以在玻璃罐中生长数周。拟南芥和三叶草等小型植物在发芽后可以研究 4-5 周,包括营养和生殖阶段。
大型工厂也可以使用替代的水培装置,但这些装置通常需要定制的盒子和入口,这些盒子和入口由网、泡沫板和用于植物支撑的植入篮制成 15,28,29,30。此外,这些设备通常不是无菌的,或者它们需要具有挑战性的设置和维护程序才能使它们免受微生物和/或化学污染。在所提出的实验系统中设置和维持无菌性很简单。此外,玻璃用于罐子和珠子可以减少从塑料中浸出的污染物的存在,并节省资源,因为它可以很容易地清洗和重复使用。
以前已经应用玻璃珠来模拟土壤颗粒。它们在根系渗出采样装置(如渗出阱31)或其他半水培系统19中诱导根系的自然发育。玻璃罐装置利用了这一发展,并将珠子作为微生物的定植表面引入。在土壤中,植物根部周围的微生物组在半固体环境中进化,具有致密的颗粒和充满空气或水的空间。尽管玻璃罐的设置不包括生长培养基的主动曝气,因此较低的液相可能不包含最佳的氧气水平,但较大的珠体积与较小的生长介质体积的结合会产生潮湿但通气的上层相,微生物可以在含氧条件下生长。其他人提议摇晃生长容器26,28或使用与空气泵19,29耦合的管道来维持水培生长系统中的空气供应。然而,这些系统要么被设置为非无菌,要么需要专门的材料和持续的监测来保持无菌。此外,在摇晃的情况下,要注意避免枝条淹没在生长溶液中并损坏根系。然而,如果需要,可以用额外的曝气材料来调整所提出的实验装置。
在所有研究新陈代谢的植物-微生物相互作用研究中要考虑的一个关键方面是微生物降解植物来源的化合物并自行产生代谢物。如果没有专门的无菌实验装置,就不可能区分植物和微生物衍生的代谢物。为了抑制微生物活性并富集植物来源的化合物,Oburger等人提出对根系渗出物取样溶液进行化学灭菌以抑制细菌降解32。可以在所提出的实验系统中研究化学抑制剂的作用,比较用或不用抑制剂处理的无菌植物与非无菌植物的渗出曲线。
所展示的玻璃罐设置的一个主要限制是,与土壤相比,生长条件仍然非常人工。土壤种植植物的渗出物通常从渗滤系统13收集,其中溶剂流过收集在生长容器的底部,或土壤-水培混合系统,其中植物最初在土壤中生长,然后转移到水培条件16,33。与玻璃罐设置相比,这些程序通常是破坏性的,不允许在不断变化的生长环境中随着时间的推移进行多次收集。此外,在渗滤系统中,土壤背景与渗出物一起取样,而在土壤-水培混合系统中,通过转移到水培条件进行渗出物收集,可以规避土壤代谢背景高的问题。尽管已经实施了恢复时间以减少通过受伤根系的代谢物泄漏11,但植物转移非常具有破坏性,伤口可能会持续存在,并且植物代谢可能会因转移到水培条件而改变。此外,在许多情况下,渗透冲击是通过将植物转移到水中而不是合适的生长溶液中而引起的16,33。在所提出的方案中,生长溶液与等摩尔溶液交换以保持渗透平衡,仍然允许在短时间内捕获渗出物。在许多已发表的研究中,生长溶液的改变是常见的做法,并且可以在水培装置中轻松实现,而不会造成根部损伤12,16,26,34。由于其多功能性,所提出的实验系统可以很容易地适应模拟更多的自然条件,例如,通过使用无菌或非无菌土壤提取物作为生长溶液,无论是否存在固体土壤颗粒。向自然条件的逐渐变化允许研究不同理化土壤性质和微生物存在对植物新陈代谢和生理学的影响。在科学界对各种环境中的渗出有很好的了解之前,最好同时使用土壤和水培系统,因为这两种设置都有其优点和局限性13.
总之,所提出的半水培、玻璃基实验装置因其简单性和应用的高度通用性而脱颖而出。它提供了一种可行、低成本的方法来收集和研究无菌条件下的渗出物,或结合微生物和植物-微生物相互作用。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢来自瑞士苏黎世联邦理工学院的 Nicola Zamboni 教授和 Uwe Sauer 教授通过直接注射确定根部渗出曲线,并感谢巴塞尔大学的 Klaus Schläppi 教授对 拟南芥 共生细菌的研究。此外,我们还感谢瑞士国家科学基金会(PR00P3_185831 J.S.,支持 S.M.、A.S.、E.M.S.)和 PSC-先正达奖学金计划(授予 Klaus Schläppi 教授和 J.S.,支持 C.J.)。
Agar powder for bacteriology | VWR | 20767.298 | |
Aluminum foil | FORA GmbH | ||
Ammonium acetate | Sigma-Aldrich | 32301-1KG | ACS reagent, Eur >- 98% |
Autoclave VX-150 | Systec | 1150 | |
Balance | Sartorius | QUINTIX64-1S | |
Centrifuge | Hermle Labortechnik GmbH | 305.00 V05 | |
Cuvettes | Greiner Bio-One | 613101 | |
Difco LB Broth, Lennox | BD | 240210 | |
Ethanol | Reuss-Chemie AG | RC-A15-A-005L | |
Filtered deionized water | Merck Millipore | Milli-Q IQ7000 | |
Glass beads | Carl Roth | HH56.1 | 5 mm |
Hydrochloric acid | Merk | 1.00317.1000 | |
Inoculation loop | Karl Hammacher GmbH | HWO_070-21 | |
Jars | Weck | 105741 | 850 mL |
Lyophilizer | Christ | Alpha 2-4 LSCplus | |
Magnesium chloride hexahydrate | Carl Roth | 2189.1 | |
Matrix Orbital thermoshaker | IKA | 10006248 | |
Microcentrifuge tube | Sarstedt AG & Co. KG | 72.695.500 | SafeSeal reaction tube, 2 mL, PP |
Micropore tape | 3M | 1530-0 | 1.25 cm x 9.1 m |
Micropore tape | 3M | 1530-1 | 2.5 cm x 9.1 m |
Murashige & Skoog Medium (MS) | Duchefa Biochemie | M0221.0050 | |
Growth chamber | Percival | SE41-TLCU4 | 16 hour light/8 dark. 22 °C day/18 night |
Phyto agar | Duchefa Biochemie | P1003.1000 | |
Potassium hydroxide | Sigma-Aldrich | 8.14353.0100 | |
SmartSpec Plus Spectrophotometer | Bio-Rad | 170-2525 | |
Sodium hypochlorite solution, 12% Cl | Carl Roth | 9062.4 | |
Square petri dish | Greiner Bio-One | 688102 | 120x120x17 mm, with vents |
Stericup Quick release | Millipore | S2GPU05RE | 0.22 µm PES, 500 mL |
Sterile bench | FASTER S.r.l. | FlowFast H 18 |