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Los investigadores desarrollan un nuevo diseño de chip para analizar las interacciones planta-microbio

Los investigadores de Argonne desarrollan un nuevo diseño de chip para analizar las interacciones planta-microbio
Los científicos descubrieron una forma de obtener nuevos conocimientos sobre cómo las raíces de las plantas interactúan con los microbios del suelo de formas mutuamente beneficiosas utilizando un dispositivo de microfluidos de nuevo diseño que puede descubrir mejores formas de promover el crecimiento de las plantas, diseñar cultivos resistentes a la sequía, remediar el medio ambiente e impulsar la producción de materia prima bioenergética. . Crédito: Lidiane Miotto / Shutterstock

Las plantas interactúan con ciertos microbios, como bacterias y hongos, de formas mutuamente beneficiosas que los científicos apenas están comenzando a comprender. 


por Joan Koka, Laboratorio Nacional Argonne


Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto una forma de obtener nuevos conocimientos sobre estas interacciones utilizando un dispositivo de microfluidos de nuevo diseño, un chip grabado con canales diminutos. Este dispositivo puede ayudar a respaldar la investigación para descubrir mejores formas de promover el crecimiento de las plantas, diseñar cultivos resistentes a la sequía, remediar el medio ambiente e incluso impulsar la producción de materia prima bioenergética.

La raíz del problema

Las interacciones planta-raíz-microbio (RMI) están ocultas debajo del suelo, lo que representa un desafío para los investigadores que buscan observar continuamente actividades como la unión de microbios y el intercambio de nutrientes sin interrupción durante largos períodos. Para sortear este desafío, los investigadores han analizado tradicionalmente el entorno de las raíces cultivando plantas en macetas, entre láminas de vidrio o en placas de agar, y luego observaron las raíces en busca de cambios físicos e interacciones microbianas sacrificando la muestra.

Sin embargo, la forma ideal de monitorear la relación entre las raíces de las plantas y los microorganismos que las rodean en la rizosfera, la región rica en nutrientes del suelo que rodea la raíz de la planta, es observar estas interacciones a medida que ocurren durante períodos prolongados con alta resolución. Entonces, los investigadores de la división de Biociencias de Argonne, junto con los científicos del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, desarrollaron un chip RMI: un pequeño dispositivo de microfluidos que permite que pequeñas cantidades de líquido fluyan a través de microcanales o vías en un chip. midiendo solo unos pocos centímetros cuadrados de ancho.

«Los canales se crean mediante litografía blanda, un enfoque para fabricar estructuras tridimensionales utilizando materiales blandos», dijo Gyorgy Babnigg, bioinformático y biólogo molecular de Argonne, quien co-desarrolló el dispositivo.

Babnigg y sus compañeros utilizaron esta técnica para crear un molde negativo de su dispositivo. Luego vertieron un plástico similar a la silicona sobre el molde y lo calentaron, lo que permitió que se endureciera, luego lo sacaron del molde. Luego, los investigadores perforaron agujeros en el material para formar entradas y salidas y, finalmente, lo fusionaron con un trozo de vidrio de cobertura de microscopio para poder observar lo que estaba sucediendo dentro de los canales a través de un microscopio.

Un laboratorio miniaturizado para estudiar árboles

Los investigadores han utilizado durante mucho tiempo dispositivos de microfluidos como el que crearon Babnigg y su equipo para estudiar las interacciones raíz-microbio, aunque únicamente en plantas de flores pequeñas y de corta duración, como Arabidopsis thaliana, conocida como berro thale o berro oreja de ratón. El dispositivo Argonne es el primero que se utiliza en plantas leñosas vivas.

El equipo de Argonne eligió usar su dispositivo para analizar el temblor o temblor de los árboles de álamo temblón (Populus tremuloides), un árbol de hoja caduca resistente y de rápido crecimiento que es la especie de árbol más ampliamente distribuida en América del Norte. Comenzaron cultivando semillas de árboles de Aspen en plántulas, luego trasplantaron las plántulas en canales individuales de su chip.

«A diferencia de otros estudios más breves, pudimos averiguar todas las tuberías para hacer crecer las plántulas en el chip durante varias semanas», dijo Babnigg. «Tomó un tiempo. No solo tuvimos que transferir las puntas de las raíces al chip, sino que también tuvimos que esperar hasta que las raíces llegaran a la entrada donde fluían los nutrientes y luego esperar otra semana antes de poder agregar el crecimiento de la planta. -promover microbios a ese sistema «.

Los microbios agregados al sistema fueron diseñados por investigadores para emitir fluorescencia con colores únicos, lo que permitiría a los investigadores distinguir su comportamiento bajo un microscopio.

Y mientras los investigadores fluían continuamente una solución de sal simple a través del sistema para apoyar el crecimiento de las plántulas, retuvieron los nutrientes necesarios para el crecimiento de los microbios. Esto significaba que, para que los microbios sobrevivieran, tenían que alimentarse de las plantas .

El diseño de su experimento de esta manera permitió a los investigadores distinguir si las interacciones simbióticas, como los microbios que aceptan nutrientes exudados por la raíz de la planta o la liberación de materiales como el fósforo y las hormonas vegetales que guían el movimiento de la raíz, eran observables.

Durante semanas, los investigadores observaron continuamente cómo los diferentes tipos de microbios crecían e interactuaban con las raíces vivas a través de un microscopio y encontraron que, en ausencia de nutrientes externos, los microbios se adherían a la superficie de la raíz y usaban los exudados de la raíz para crecer.

«Observamos comportamientos particulares de las bacterias en las raíces, desde la alineación de las bacterias hasta la formación de densas biopelículas», dijo Marie-Francoise Noirot-Gros, microbióloga de Argonne y autora principal.

Estos hallazgos reflejan lo que se ha demostrado en experimentos anteriores, validando el enfoque y la aplicación del equipo de su dispositivo.

«Visualizamos todas estas interacciones mientras la planta todavía estaba viva», dijo Babnigg. «Nuestra capacidad para hacer esto usando nuestro dispositivo y en el transcurso de varias semanas es lo que hace que este trabajo se destaque».

El artículo de investigación , titulado «Imágenes funcionales de interacciones microbianas con raíces de árboles utilizando una configuración de microfluidos», se publica en Frontiers in Plant Science .


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