JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

وقد سبق استخدام المحاكا الحيوية كأداة لدراسة التفاعلات بين طرفية. ومع ذلك، لا توجد مثل هذه الأداة للجذور. هنا ، نقوم بتطوير بروتوكول لتشكيل الأسطح الاصطناعية تحاكي البنية المجهرية لسطح الجذر لدراسة تفاعلات بيئة الجذر.

Abstract

المحاكاة الحيوية هي استخدام الكيمياء وعلوم المواد لمحاكاة النظم البيولوجية، والهياكل البيولوجية على وجه التحديد، من أجل تحسين البشرية. في الآونة الأخيرة، تم استخدام الأسطح المحاكاة الحيوية التي تحاكي البنية المجهرية لسطح الأوراق، لدراسة آثار البنية المجهرية للأوراق على التفاعلات بين بيئة الأوراق. ومع ذلك، لا توجد مثل هذه الأداة للجذور. قمنا بتطوير أداة تسمح للمحاكاة الاصطناعية من بنية سطح الجذر في سطح اصطناعي. اعتمدنا على طريقة الطباعة الحجرية الناعمة ، والمعروفة عن النسخ المتماثل المجهري لسطح الورقة ، باستخدام عملية من خطوتين. الخطوة الأولى هي أكثر تحديا لأنها تنطوي على الأنسجة البيولوجية. هنا، استخدمنا البوليمر مختلفة واستراتيجية علاج، والاعتماد على قوية، جامدة، البولي يوريثين، الشفاء من الأشعة فوق البنفسجية لقالب الجذر. هذا سمح لنا لتحقيق صورة سلبية موثوق بها من المجهرية سطح الجذر بما في ذلك حساسة، وميزات صعبة مثل الشعر الجذري. ثم استخدمنا هذه الصورة السلبية كقالب لتحقيق تكرار البنية المجهرية لسطح الجذر باستخدام كل من البوليديميثيل سيلوكسان (PDMS) الراسخة وكذلك مشتق السليلوز ، السليلوز الإيثيل ، الذي يمثل تقليدًا أقرب للجذور والذي يمكن أيضًا أن يتحلل من أنزيمات cellulase التي تفرزها الكائنات الحية الدقيقة. يمكن استخدام هذه المنصة التي تم تشكيلها حديثًا لدراسة الآثار المجهرية للسطح في تفاعلات الكائنات الدقيقة الجذرية بطريقة مماثلة لما تم عرضه سابقًا في الأوراق. بالإضافة إلى ذلك، تمكننا النظام من تتبع مواقع الكائنات الحية الدقيقة، نسبة إلى ميزات السطح، وفي المستقبل نشاطها، في شكل إفراز الخلايا.

Introduction

تكرار بنية سطح ورقة هو طريقة معروفة في مجال البحوث الحيوية1،2،3،4. تم تنفيذ النسخ المتماثلة الأولى من بنية سطح ورقة باستخدام طلاء الأظافر والمواد المطاطية المطبقة على سطح ورقة لتصور أفضل من المجهرية، وتحديدا stomata5،,6،,7،,8،,9،,10. ثم تم تحسين الأسلوب ، واستخدمت البوليمرات المتقدمة لتقليد بنية سطح الأوراق باستخدام الطباعة الحجرية الناعمة ، خاصة في سياق المحاكا الحيوية للأسطح فائقة التحلل2،3،4،11،12. في السنوات الأخيرة، ثبت هذه الطريقة كأداة مفيدة في دراسة التفاعل بين سطح ورقة والكائنات الدقيقة المقيمين على السطح سواء كانت مسببة للأمراض13،14 أو مفيدة ، كجزء من phyllosphere ورقة طبيعية15. وقد ثبت تبسيط النظام الطبيعي مفيدة للغاية في دراسة التفاعلات سطح الكائنات الحية الدقيقة حتى عندما استخدمت نظم اصطناعية بحتة كما السطوح15،16،17،18.

في حين أن تكرار بنية سطح ورقة ثبت أن يكون أداة مفيدة لدراسة التفاعل الذي يحدث على سطح ورقة مع الكائنات الدقيقة المختلفة ، لا توجد مثل هذه الأداة للجذور النباتية. جذور النبات يصعب دراسته لأنها تقع تحت الأرض وجميع التفاعلات تحدث داخل التربة. على غرار الأوراق ، من المرجح أن تلعب البنية المجهرية لسطح الجذر دورًا في تفاعلات الكائنات الدقيقة الجذرية. ومع ذلك، لا توجد حاليا أي طريقة لعزل دور محدد من المجهرية سطح الجذر في التفاعلات الجذر والكائنات الدقيقة المعقدة. الأكثر دراسة الجذر السطح microstructural الميزة هي الشعر الجذري19،20،21. الشعر الجذري له دور مهم في زيادة مساحة السطح وذلك السماح كمية أكثر كفاءة من المواد الغذائية والمياه22، ولكن مشاركتها كميزة هيكلية في التفاعلات الجذور والكائنات الدقيقة لم يتم اختبارها.

البوليمر الأكثر استخداما ل lithography لينة في الأوراق هو polydimethyl siloxane (PDMS). خصائص PDMS تشبه تلك التي من بشرة ورقة15،23. ومع ذلك ، في جذور النبات ، والمواد الأكثر وفرة هوالسليلوز 24،25 التي لها خصائص مختلفة من تلك PDMS26،27،28. وبالتالي فإن استخدام نظام إدارة المباني لبناء منصة اصطناعية لدراسة آثار البنية المجهرية السطحية في تفاعلات البيئة الجذرية هو أقل من مثالي.

البروتوكول المقدم هنا يتيح تشكيل النسخة المتماثلة المجهرية التركيبية لسطح الجذر الاصطناعية من مواد مختلفة. مثل طريقة النسخ المتماثل المجهرية سطح ورقة هذا هو عملية من خطوتين. الخطوة الأولى يستخدم النسيج البيولوجي (الجذر) كمصدر للصب في قالب البولي يوريثين (نسخة طبق الأصل السلبية). يمكن بعد ذلك استخدام قالب البولي يوريثين، الذي يمثل الصورة السلبية للهندسة المجهرية لسطح الجذر، كقاعدة لتوليد النسخ المتماثل الإيجابي للمجهر السطحي الجذري من مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك PDMS ومشتقات السليلوز. ويمكن فيما بعد استخدام هذا النسخ المتماثل السطح الجذر كمنصة لفهم دور هيكل السطح في تفاعلات الكائنات الحية الدقيقة الجذرية.

Protocol

1. زراعة النباتات وإعداد الجذر

  1. الخيار 1: إعداد جذور مُهْجَرة من السيقان.
    1. اتخاذ علبة تأصيل لزراعة النباتات.
    2. املأ الصينية بالتربة.
    3. إضافة بذرة واحدة من أصناف الطماطم M82 إلى كل خلية في علبة.
    4. تغطية البذور مع التربة قليلا.
    5. المياه صينية من أسفل مع القطارة كما يملأ الماء الجزء السفلي من علبة والتربة تمتص الماء.
    6. أضف 2 مل من الأسمدة لكل 1 لتر من الماء إلى الجزء السفلي من الدرج مرة واحدة في الأسبوع.
    7. تنمو في غرفة متنامية في 25 درجة مئوية.
    8. استخدام ظروف الإضاءة من 9 ساعة الضوء (7:00-16:00) تناوب مع 15 ساعة من الظلام.
    9. بعد 3 أسابيع إزالة النبات من التربة.
    10. قطع نظام الجذر من النبات في نقطة التفاعل مع الجذعية.
    11. وضع النبات عديم الجذور في منقار مملوء بالماء.
    12. بعد بضعة أيام، وقطع الجذور المغامرة التي تخرج من الجذعية واستخدامها للنسخ المتماثل.
  2. الخيار 2: إعداد جذور تنبت البذور.
    1. الرطب ورقة تصفية طبق بيتري الحجم مع الماء.
    2. وضع عدة بذور M82 (لا يزيد عن 10) على ورقة، داخل طبق بيتري.
    3. احتضان لوحة في 25 درجة مئوية.
    4. هيدرات الورق كل يوم.
    5. بعد جذور نابتة طويلة بما فيه الكفاية (ما يقرب من 5 أيام)، وإزالة البذور واستخدام الجذور للنسخ المتماثل.

2. إعداد النسخة المتماثلة السلبية الجذر من البولي يوريثين

  1. لتوليد حل النسخة المتماثلة السلبية، إضافة 9.49 غرام من ديبيثاكريلات ديريثاريلات ديرورثان إلى قارورة 20 مل.
    1. إضافة 1.45 مل من الميثاكريلات الإيثيلي إلى القارورة.
    2. يُحرّك في درجة حرارة الغرفة (RT) حتى يصبح المحلّل واضحًا ويصبح متجانسًا.
      ملاحظة: 2 h تقريباً كافية للوصول إلى حل متجانس.
    3. إضافة 3 مل من البلاستيك، ديثيل الفثالات، ويحرك لمدة 1 ساعة في RT.
      ملاحظة: ديثيل الفثالات هو miscible في مونومر الاكريلات.
    4. إضافة 300 μL من مبادر الصورة، 2-هيدروكسي-2-ميثيل بروبين، ويحرك بين عشية وضحاها في RT. مواصلة اثارة حتى تتم إزالة جميع الفقاعات.
      ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا. يمكن الاحتفاظ بالحل في RT.
  2. لإنشاء النسخة المتماثلة السلبية من الجذر، واتخاذ شريحة الزجاج نظيفة وصب 1 مل من حل النسخة المتماثلة السلبية على ذلك.
    1. مكان 2\u20123 جذور على الحل. لا تسمح للجذور أن تكون مغطاة بالكامل من قبل الحل.
    2. إبقاء الشريحة تحت 8 واط الترا البنفسجي (UV) مصباح لمدة 8\u201210 دقيقة. لا تبقي الحل تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة جدا.
      ملاحظة: من المهم عدم الحفاظ على الحل تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة جدا لأنه يجعل من الصعب جدا البولي يوريثان، مما يجعل من المستحيل لإزالة الجذر.
    3. إيقاف مصباح الأشعة فوق البنفسجية، وإزالة النسخة المتماثلة من الشريحة الزجاجية ووضعها في طبق بيتري مليئة الإيثانول، لإزالة مونومر غير منقح.
    4. للحصول على النسخة المتماثلة السالبة، قم بإزالة الجذر من النسخة المتماثلة ببطء شديد باستخدام ملقط.

3. إعداد النسخة المتماثلة الموجبة الجذر من PDMS.

  1. لتوليد خليط للنسخة المتماثلة إيجابية، مكان 10 غرام من سيلوكسان ثنائي الميثيل في كوب من الورق.
    1. إضافة 1 غرام من وكيل علاج ومزيج شامل.
    2. الحفاظ على الخليط في desiccator تحت فراغ لمدة 2 ساعة لإزالة فقاعات الهواء.
  2. لإنشاء النسخة المتماثلة الإيجابية، ضع النسخة المتماثلة السالبة من البولي يوريثين في طبق بيتري.
    1. صب خليط PDMS على رأس النسخة المتماثلة السلبية.
    2. تطبيق فراغ لمدة 2 ساعة لضمان تغطية المجهرية.
    3. الحفاظ على طبق بيتري بين عشية وضحاها في RT.
    4. فصل النسخة المتماثلة الإيجابية المعالجة من النسخة المتماثلة السالبة باليد.

4. إعداد النسخة المتماثلة إيجابية الجذر من السليلوز الإيثيل.

  1. لتوليد محلول السليلوز الإيثيل، وضع 1.32 مل من الفتثال ديثيل كملدن في كوب 100 مل.
    1. إضافة 20 مل من الإيثانول ويحرك في RT لمدة 2 ساعة.
    2. إضافة 3.3 غرام من السليلوز الإيثيل ويحرك بين عشية وضحاها.
  2. لإنشاء النسخة المتماثلة الإيجابية، ضع النسخة المتماثلة السالبة من البولي يوريثين في طبق بيتري.
    1. صب حل السليلوز الإيثيل على رأس النسخة المتماثلة السلبية.
    2. الحفاظ على طبق بيتري بين عشية وضحاها في RT تحت غطاء محرك السيارة.
    3. إزالة النسخة المتماثلة الإيجابية من النسخة المتماثلة السالبة ببطء شديد بواسطة ملقط.

النتائج

لتشكيل النسخ المتماثل المجهرية سطح الجذر، يجب اختيار جذر للصب. نحن تنمو نباتات الطماطم في التربة، مما يجعل استخدام الجذر الطبيعي من نظام الجذر صعبة للغاية. إزالة التربة من نظام الجذر يمكن أن يكون صعبا، وبالإضافة إلى ذلك، جذور النظام الجذري هشة ويمكن أن كسر على صب محاولات. لذلك نقترح أن نستخدم جذورًا أكثر صلابة أولاً، لإنشاء البروتوكول في المختبر. ويرد وصف تشكيل هذه الجذور في الشكل 1A. تتم إزالة نظام جذر النبات بعد أن نمت النباتات لمدة 3 أسابيع ويتم وضع النبات عديم الجذور في الماء لمدة أسبوع تقريبا حتى تظهر جذور محتضرة من الجذعية. ويمكن استخدام هذه الجذور للنسخ المتماثل أثناء إنشاء البروتوكول. بمجرد أن يتم تأسيس البروتوكول بشكل جيد ، مطلوب بنية سطح الجذر أكثر واقعية. هنا نقترح تجنب الجذور التي تزرع في التربة والإزالة الكاملة للتربة في صعبة للغاية. بدلا من ذلك نقترح استخدام جذور الإنبات، وتوفير معلومات قيمة عن البنية المجهرية سطح الجذر من نبات محدد وراثيا. ويرد وصف نمو هذه الجذور في الشكل 1B. يتم وضع البذور على ورقة الترشيح الرطب وتحتضن في 25 درجة مئوية. بعد حوالي 5 أيام ، يتم خلالها الاحتفاظ بورقة التصفية رطبة ، تكون الجذور المبتجرة طويلة بما يكفي للنسخ المتماثل. وهذه الجذور أكثر هشاشة من الجذور التي اقترحت من قبل وتتطلب رعاية أكثر دقة.

إنتاج النسخة المتماثلة المجهرية سطح الجذر هو عملية من خطوتين. في الخطوة الأولى يتم مصبوب الجذر الطبيعي في قالب البولي يوريثان القائم (النسخة المتماثلة السلبية). وميزة هذه الخطوة هو أن جميع المواد لقالب البولي يوريثين يجري إعدادها ويتم وضع الجذر على رأس الحل المعد في نهاية جدا ل10 دقيقة التعرض للأشعة فوق البنفسجية. ونتيجة لذلك، لا تتعرض الأنسجة البيولوجية لظروف قاسية لفترة طويلة جدا ويمكن التعامل معها بلطف في نهاية العملية. إذا تم اتباع كافة خطوات البروتوكول، يتم إنشاء نسخة متماثلة سالبة جيدة. هذه النسخة المتماثلة سوف تظهر بنية الخلية من سطح الجذر، فضلا عن الثقوب التي تمثل موقع الشعر الجذر (الشكل 2A). إذا لم يتم اتباع بعض الخطوات الهامة في البروتوكول، سيفشل الإجراء. خطوة واحدة من هذا القبيل هو وضع الجذر على حل البولي يوريثين قبل العلاج. يجب وضع الجذر بلطف شديد لتجنب غمره في محلول البولي يوريثين. مثل هذا الغمر ، من أي جزء من الجذر ، سوف يسبب الفخ من الجذر في البوليمر الثابت مع عدم القدرة على إزالته. إذا حدث مثل هذا الحدث، فإن الجذر سيبقى داخل النسخة المتماثلة السلبية بعد أن يتم الشفاء منه (الشكل 2B). خطوة أخرى حاسمة هي فيما يتعلق الوقت علاج الأشعة فوق البنفسجية. الوقت العلاج الموصى به هو 8\u201210 دقيقة. سوف يؤدي الماضي 10 دقيقة في العفن البولي يوريثين الثابت للغاية، مما يجعل من المستحيل لإزالة الجذر دون كسر داخل قالب البولي يوريثان. يمكن أن يكون كسر الجذر مرئيًا في بعض الأحيان بالعين المجردة ، على سبيل المثال ، عندما يتم كسر قطعة كبيرة (الشكل 2C، أعلى ، مع علامة السهام الأرجواني). ومع ذلك، في بعض الأحيان يتم ترك قطع الجذر الصغيرة في المواد التي يصعب على الفور بالعين المجردة والمجهر يجب أن تستخدم(الشكل 2C، أسفل، مع وضع علامة السهام الأرجواني). نوصي بعناية دراسة النسخة المتماثلة السالبة البولي يوريثان مع المجهر قبل استمرار البروتوكول للتأكد من عدم وجود الجذر المتبقية.

مرة واحدة يتم إعداد النسخة المتماثلة السلبية البولي يوريثان; يمكن استخدام العديد من المواد لإعداد النسخة المتماثلة الإيجابية. إعداد النسخة المتماثلة إيجابية، وذلك باستخدام النسخة المتماثلة السلبية البولي يوريثين كقالب، هو مستقيم إلى الأمام ويعتمد تماما على نوعية النسخة المتماثلة السلبية البولي يوريثين. لتوليد النسخة المتماثلة الإيجابية استخدمنا كلا PDMS - كما هو معروف جيدا في مجال الطباعة الحجرية لينة (الشكل 3A)- والإيثيل السليلوز كمادة أن يحاكي أفضل خصائص سطح الجذر الذي يتكون في الغالب من السليلوز (الشكل 3B). تظهر صورة SEM للنسخة المتماثلة PDMS الشعر الجذري بشكل واضح للغاية. الشعر في منطقة الممدود، حيث تبدأ في الظهور. وبالتالي، فإن طول الشعر الجذر يختلف على طول سطح الجذر لأنها تصبح أطول، مثل الكثير في الجذر الطبيعي(الشكل 3A). يولد السليلوز الإيثيل أصعب وأقل مرونة من فيلم PDMS. وبالتالي ، فإن إزالته من القالب السلبي يتطلب المزيد من الرعاية. ومع ذلك، بعض الشعر والسطح المجهري مرئية تحت المجهر الخفيفة (الشكل 3B). استخدمنا هاتين المواد لتوليد النسخة المتماثلة الإيجابية، ومع ذلك، فإن أي مادة يمكن أن تشكل فيلم يكون مرشحا جيدا للنسخة المتماثلة إيجابية، وذلك باستخدام النسخة المتماثلة السلبية البولي يوريثين.

figure-results-4407
الشكل 1: جذور نبات الطماطم للنسخ المتماثل. (أ)يزرع نبات الطماطم (M82) عند 25 درجة مئوية مع 9 ساعات من الضوء والظلام 15 ساعة. بعد 3 أسابيع ، تتم إزالة النبات من التربة ويتم قطع نظام الجذر. يتم وضع النبات عديم الجذور في الماء حتى تظهر الجذور المُغرضة من الجذع بعد حوالي أسبوع. هذه الجذور لا تظهر البنية الدقيقة كجذور من النظام الجذري ، ولكنها تمثل نموذجًا جيدًا. هذه الجذور هي أقل هشاشة من جذور النظام الجذري، وبالتالي يفضل العمل مع عند إنشاء تقنية في المختبر. (B) يتم وضع بذور الطماطم (M82) على ورقة الترشيح الرطب في طبق بيتري ومحتضنة في 25 درجة مئوية. الورق رطب كل يوم والبذور تنبت. الجذور تنمو وبعد ما يقرب من 5 أيام طويلة بما يكفي لاستخدامها في النسخ المتماثل. هذه الجذور هي ألطف وينبغي استخدامها مرة واحدة في هذه الطريقة راسخة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5475
الشكل 2: صور المجهر من النسخة المتماثلة السلبية البولي يوريثين. (A) صورة SEM من النسخة المتماثلة السالبة من البولي يوريثين التي تم إجراؤها وفقًا لبروتوكول يتبع جميع الخطوات. هيكل الخلية واضح. الأسهم الصفراء تشير إلى ثقوب شكلتها الشعر في الجذر. (ب) صور المجهر الخفيفة من النسخة المتماثلة السلبية البولي يوريثين مع جذر داخله كما كان مغطى بالكامل مع الحل وإزالته كان مستحيلا. تم شفاء سلبي البولي يوريثان مع الجذر في الداخل. الجذر مرئي بالعين وباستخدام المجهر الخفيف. من المستحيل إزالة هذا الجذر من النسخة المتماثلة المعالجة. (C) صور المجهر الخفيفة من النسخة المتماثلة السلبية البولي يوريثين التي تم الاحتفاظ تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة جدا. ونتيجة لذلك، لا يمكن إزالة الجذر بالكامل من البوليمر مع إما الجسيمات الكبيرة مرئية بالعين (الصورة العلوية، مع وضع علامة على السهام الأرجواني) أو الكسور الصغيرة التي لا تظهر إلا عن طريق المجهر (صورة أقل، مع علامة السهام الأرجواني). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6713
الشكل 3: صور المجهر للنسخة المتماثلة الإيجابية. (A) SEM micrograph من نسخة متماثلة إيجابية مصنوعة من PDMS. التوسعة يظهر الشعر الجذر. (ب) صور المجهر الخفيفة من نسخة طبق الأصل إيجابية مصنوعة من السليلوز الإيثيل. تظهر الشعرات في الصور الموجودة على اليمين بينما يكون نسيج السطح مرئيًا في الصورة على اليسار. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

نقدم طريقة جديدة لتكرار بنية سطح الجذر. يعتمد هذا الأسلوب على الأساليب الموجودة في النسخ المتماثل المجهري لسطح ورقة4. من أجل تطوير هذه الطريقة، كان علينا أن قرص الأسلوب الحالي للأوراق. أدركنا أن الخطوة الإشكالية في نسخ طريقة النسخ المتماثل لأوراق الشجر في الجذور تتضمن الخطوة الأولى من صب الجذر. هذا هو الجزء الأكثر حساسية من الطريقة لأنها تنطوي على الأنسجة البيولوجية. ونتيجة لذلك، أردنا اختيار البوليمر الذي من شأنه أن يتطلب ظروفا لطيف نسبيا لعلاج وبالتالي التسبب في الحد الأدنى من الضرر للأنسجة البيولوجية. اخترنا البولي يوريثين لأنه يمكن أن تكون بالمبلمرة بسرعة (في غضون 10 دقيقة) تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية29. بالإضافة إلى ذلك، فمن الصعب جدا مرة واحدةبلمرة 30 وكنا نأمل أن هذه الخاصية من شأنه أن يسمح لإزالة سهلة نسبيا من الجذر من قالب البولي يوريثين.

الأسلوب المعروض هو أسلوب من خطوتين الذي يتم تشكيل الصورة السالبة (النسخة المتماثلة السلبية) في الخطوة الأولى ويتم تشكيل النسخ المتماثل في الخطوة الثانية استناداً إلى النسخة المتماثلة السالبة. هذا يوسع نطاق المواد التي يمكننا العمل معها. تم إجراء النسخ المتماثل البنية المجهرية لسطح الورقة بشكل رئيسي على PDMS أو مواد الايبوكسي11،31. تم القيام ببعض الأعمال مع مواد أخرى، وعلى وجه التحديد المواد التي تدعم نمو الكائنات الحية الدقيقة13،32. وذلك لأن في السنوات الأخيرة تم استخدام هذه الطريقة لدراسة التفاعلات الكائنات الحية الدقيقة السطحية في سياق بنية سطح ورقة. ومع ذلك، لم يتم استخدام أي مواد تشبه السليلوز في هذه الطريقة في سياق الأوراق. نقترح استخدام نسخة طبق الأصل السلبية البولي يوريثين كقالب ومجموعة متنوعة من المواد للنسخة المتماثلة إيجابية. وبعبارة أخرى، جعل النسخة المتماثلة إيجابية، من مجموعة متنوعة من المواد، من السهل نسبيا مرة واحدة يتم إجراء نسخة طبق الأصل سلبية جيدة. نحن نستخدم حاليا مشتقات السليلوز، ولكن يتم استكشاف إمكانيات استخدام مواد أكثر صلة لتجذر السطح مثل البكتين وlignin33،34 في تركيبة مع مشتقات السليلوز.

كما تتوسع الطريقة على الطريقة الحالية للنسخ المتماثل للسطح ورقة المجهرية منذ ورقة هو سطح 2D بينما هو سطح الجذر منحنية وبالتالي هو سطح 3D. أسلوبنا لا تمكن من تكرار السطح كله منذ تضمين الجذر كله في حل البولي يوريثين لا يسمح لاطلاقه. لذلك، يجب اختيار جانب واحد من الجذر عند تكرار البنية المجهرية لسطح الجذر. السطح الاصطناعية المولدة منحنية وتمثل ما يقرب من نصف السطح، ولكن ليس كل ذلك. لدينا افتراض هو أن السمات الهيكلية لسطح الجذر هي في معظمها متناظرة حول المحور على طول الجذر. ومع ذلك، في الدراسات التي لا يفترض مثل هذا التماثل، ينبغي للمرء أن يكون حذراً لاختيار الجذر الجانبي المناسب لتكرار.

نقدم خيارين للجذور لاستخدامها كقوالب. الأول هو خيار الجذور المُغرّحة التي تنمو من الجذع والثاني هو خيار الجذور المُنبتَة على الورق. الخيار الأول هو في الغالب لمساعدة الباحثين في ممارسة الأسلوب لأن هذه الجذور هي أكثر قوة وأسهل للعمل مع. أما الخيار الثاني فيمثل الاختلافات الجينية التي يمكن أن توجد بين جذور أصناف مختلفة، بغض النظر عن الظروف البيئية. ويمكن استخدام هذه السطوح كأدوات البحث الهامة، ومع ذلك، ينبغي للمرء أن يدرك أن البيئة يمكن أن يكون لها تأثير قوي على بنية سطح الجذر، وتحديدا التربة التي تزرع جذور35،36. بسبب الإجهاد الميكانيكي الذي تسببه التربة ، لا بد أن تحدث بعض التغيرات المورفولوجية ، بالإضافة إلى الجروح المتراكمة على السطح حيث يخترق الجذر التربة37. إزالة الجذور من التربة، فضلا عن تنظيفها، دون الإضرار هيكلها مهمة صعبة للغاية. وبالتالي، نحن لسنا متفائلين فيما يتعلق بالقدرة على استخدام هذه الطريقة لمحاكاة موثوق المجهرية سطح الجذر من الجذور التي تزرع في التربة. ومع ذلك، بالنسبة للبحوث التي تركز على الاختلافات الجينية أو الاختلافات البيئية حيث يكون التغير في البنية المجهرية واضحا بشكل ملحوظ، يمكن استخدام هذه الطريقة كأداة لدراسة تأثير البنية المجهرية لسطح الجذر.

لدينا طريقة تنتج سطح خامل محاكاة فقط خصائص microstructural سطح الجذر. وفي حين أن هذه الطريقة مصممة لفصل الآثار الهيكلية في تفاعلات البيئة الجذرية عن جميع الآثار الأخرى، لا يمكننا تجاهل المركبات الكيميائية في تلك التفاعلات. قد لا تبقى بعض الكائنات الحية الدقيقة أو تعمل على السطح دون إضافة المركبات، وعلى وجه التحديد المواد المغذية. وستكون الخطوة التالية في تطوير هذه المنصة هي إضافة المركبات الكيميائية الخاضعة للرقابة لدراسة آثارها على التفاعلات المختلفة عند دمجها مع البنية.

وقد تم تطوير هذه الطريقة كخطوة أولى في تطوير منصة اصطناعية لدراسة التفاعلات الجذور والكائنات الحية الدقيقة. هنا نحن تقليد البنية المجهرية لسطح الجذر ويمكن استخدام هذه المنصة الأولية لدراسة تأثير microstructure السطح على سلوك الكائنات الحية الدقيقة. ومع ذلك ، فإن هذا البرنامج محدود لأنه يفتقر إلى العديد من العناصر الأخرى من النظام الطبيعي. وينبغي مواصلة تطوير هذا المنبر باستخدام المواد المناسبة لتوليد السطح وإضافة مواد كيميائية أخرى حاسمة إلى النظام. في منصة أكثر تقدما، يمكننا أيضا أن نتصور التوزيع المكاني للمواد الكيميائية. ومع ذلك ، بما أنه لا توجد حاليًا طريقة أخرى لعزل الآثار الهيكلية في تفاعلات الكائنات الدقيقة الجذرية ، نأمل أن يتمكن الباحثون من استخدام هذه المنصة الأولية لطرح أسئلة خاصة بالبنك في تلك التفاعلات.

Disclosures

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

وقد تم دعم البحوث من خلال الأموال الأوليّة من منظمة البحوث الزراعية إلى شركة MK.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
2-hydroxy-2-methylpropiophenoneSigma405655
Diethyl phthalateAcross114520010
Diurethane dimetharylateSigma436909
Ethyl celluloseAcross232705000
Ethyl methacrylateSigma234893
Shaphir SolutionGAT fertilizer6-2-4
Sylgard 184 kitPolymer-G510018400500

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. Mancuso, S. . Measuring roots: an updated approach. , (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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

162

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved