Afdæk hemmelighederne bag plantesundhed og kulstoflagring med rhizosphere-on-a-chip

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har skabt et miniaturiseret miljø for at studere økosystemet omkring poppeltræets rødder for at få indsigt i plantesundhed og kulstofbinding i jorden.

Rhizosphere-on-a-chip platformen bygger på laboratoriets historie med at konstruere lab-on-a-chip enheder, hvor bittesmå kanaler og kamre er ætset på et objektglas, så væsker kan indføres og studeres til forskning i biokemisk separation og test.

I dette tilfælde efterligner videnskabsmænd jord på chippen, spirer poppeltræer i væsken og studerer miljøet omkring deres rødder, kendt som rhizosfæren. Forskere observerer, hvordan mikrober interagerer med kemikalier i den kunstige jord for at påvirke plantesundheden og få en bedre forståelse af de processer, der styrer kulstoflagring.

Rhizosfæren er et af de mest komplekse systemer i verden, hvor planterødder optager vand og næringsstoffer, skaber et unikt fysisk og biogeokemisk miljø for mikrober og udsender atmosfærisk kulstof til jorden. Der kan være hundredvis af forskellige bakterier, der vokser nær planterødder eller er påvirket af rhizosfæren. ORNL-forskere er særligt interesserede i, hvordan mikrober som bakterier og svampe interagerer med planterødder for at hjælpe planterne med at vokse hurtigere og overleve trusler som tørke, skovbrande, sygdomme og skadedyr.

"Det er meget svært at se inde i jorden for at observere disse processer, da partiklerne er meget mørke," sagde Jack Cahill fra ORNL's Biosciences Division.

Rhizosphere-on-a-chip giver forskerne mulighed for at skabe modelsystemer og derefter bruge teknikker som massespektrometri til at identificere kemikalier og deres fordeling omkring planterødder. Denne viden informerer om en analyse af kemiske interaktioner i økosystemet, såsom kemiske signaler fra planter for at tiltrække eller frastøde mikrober. Brug af chipsystemet sparer også prøver ved kun at fjerne en lille mængde af væsken fra platformen og tillade planterne at fortsætte med at vokse.

Dækker bord for videnskab

"Ved at bruge massespektrometri er vi i stand til at aflytte samtalen mellem disse levende systemer af planter, svampe og mikrober for at finde ud af, hvordan og hvorfor de gør de skøre ting, de gør," sagde Scott Retterer, der leder Nanomaterials Synthesis Sektion på ORNL og medudviklede platformen ved hjælp af nanofabrikationsfaciliteterne i Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science-brugerfacilitet på ORNL.

"Jeg beskriver det som en fancy fiskeskål," sagde Retterer. "Bortset fra, at vores fiskeskål er på størrelse med et mikroskopglas, og de værktøjer, vi bruger til at forme det miljø, er de samme slags værktøjer, som Intel bruger til at lave mikrochips. Så holder vi et middagsselskab i fiskeskålen for bakterier, planter og svampe. Vi dække bord med mad og se, hvordan det påvirker festen."

ORNL-forskere, der bruger platformen, har for eksempel fundet høje koncentrationer af aminosyrer meget tæt på planterødder - et fænomen, der tidligere var blevet uset. Mens disse forbindelser engang blev anset for at bevæge sig og fortyndes på tværs af jordstrukturen, er det ikke tilfældet, sagde Cahill.

"Væskedynamikken i disse chipsystemer er begrænset, så den lader os se koncentrationer af molekyler, som du ikke nødvendigvis ville forudse uden at være i stand til direkte at måle det ved hjælp af chipplatformen," tilføjede han.

Få indsigt til bedre planter

For ORNLs bioenergiforskning er virkningen "en bedre forståelse af, hvordan planter, mikrober og deres kemiske tilstande relaterer til hinanden. Hvis vi kan forudsige og kontrollere dette, kan vi bruge den viden til at udvikle planter, der er miljøresistente, som vokser hurtigere , er billigere at producere og (er) derfor mere egnet til økonomisk produktion af bæredygtige biobrændstoffer," sagde Cahill.

De rumlige billeddannelsesteknikker udviklet af ORNL-forskere kunne også bruges til farmakologisk forskning for at bestemme, om lægemiddelforbindelser effektivt når ud og absorberes af den menneskelige krop som en del af deres "tumor-on-a-chip" eksperimenter, som kunne erstatte lignende tests hos mus.

"De store videnskabelige værktøjer, vi har her på det nationale laboratorium, og de serendipitære interaktioner med videnskabsmænd fra alle samfundslag er virkelig det, der skubber os videre i udviklingen af ​​disse nye forskningsplatforme," sagde Retterer. "Det er som en stor videnskabelig potluck, hvor du medbringer din yndlingsret og deler den. De bliver alle blandet sammen på tallerkenen, og så har vi pludselig denne fantastiske rhizosfære-på-en-chip."

Retterer understregede også rollen som forskerhold, som "bringer disse store ideer ud i livet. Det er vores teknikere, post-docs og studerende, der gør tværfaglig forskning mulig."

Forskningen er publiceret i Lab on a Chip . Kolleger, der arbejder på projektet hos ORNL, omfatter Jennifer Morrell-Falvey, Muneeba Khalid, Courtney Walton, Sara Jawdy og Amber Webb. Jayde Aufrecht var med til at udvikle platformen som kandidatstuderende ved ORNL og arbejder nu på Pacific Northwest National Laboratory, hvor hun fortsætter med at samarbejde om forskningen. + Udforsk yderligere

Oplåsning af bedre kulstofbinding i jorden ved at studere siliciumaflejringer i planter