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Bioengineering

Biomimetische Replikation der Wurzeloberflächen-Mikrostruktur mit Änderung der weichen Lithographie

Published: August 05, 2020
doi:
10.3791/61437
, ,
1Institute of Plant Sciences,Agricultural Research Organization (Volcani Center), 2Agro-NanoTechnology and Advanced Materials Center,Agricultural Research Organization (Volcani Center)

Summary

Biomimetik wurde bisher als Werkzeug zur Untersuchung von Blatt-Mikroorganismus-Wechselwirkungen verwendet. Für Wurzeln gibt es jedoch kein solches Tool. Hier entwickeln wir ein Protokoll zur Bildung synthetischer Oberflächen, die die Mikrostruktur der Wurzeloberfläche imitieren, um die Interaktionen zwischen Wurzel und Umgebung zu untersuchen.

Abstract

Biomimetik ist der Einsatz von Chemie und Materialwissenschaften, um biologische Systeme, insbesondere biologische Strukturen, zu imitieren, um die Menschheit zu verbessern. Kürzlich wurden biomimetische Oberflächen, die die Mikrostruktur der Blattoberfläche imitierten, verwendet, um die Auswirkungen der Blattmikrostruktur auf Blatt-Umgebungs-Wechselwirkungen zu untersuchen. Für Wurzeln gibt es jedoch kein solches Tool. Wir entwickelten ein Werkzeug, das die synthetische Nachahmung der Wurzeloberflächenmikrostruktur zu einer künstlichen Oberfläche ermöglicht. Wir haben uns auf die weiche Lithographie-Methode verlassen, die für die Mikrostrukturreplikation von Blattoberflächen bekannt ist, und haben einen zweistufigen Prozess verwendet. Der erste Schritt ist der anspruchsvollere, da er das biologische Gewebe betrifft. Hier haben wir eine andere Polymer- und Aushärtungsstrategie verwendet, die uns auf das starke, steife Polyurethan stützt, das durch UV für die Wurzelformung gehärtet wird. Dies ermöglichte es uns, ein zuverlässiges negatives Bild der Wurzeloberfläche Mikrostruktur einschließlich der empfindlichen, herausfordernden Eigenschaften wie Wurzelhaare zu erreichen. Wir verwendeten dann dieses negative Bild als Vorlage, um die Wurzeloberflächen-Mikrostrukturreplikation sowohl mit dem etablierten Polydimethylsiloxan (PDMS) als auch mit einem Cellulosederivat, Derethylcellulose, zu erreichen, das eine nähere Mimik der Wurzel darstellt und die auch durch Cellulase-Enzyme, die von Mikroorganismen abgesondert werden, abgebaut werden kann. Diese neu gebildete Plattform kann verwendet werden, um die mikrostrukturellen Wirkungen der Oberfläche in Wurzel-Mikroorganismus-Wechselwirkungen in ähnlicher Weise zu untersuchen, wie es zuvor in Blättern gezeigt wurde. Darüber hinaus ermöglicht uns das System, die Standorte des Mikroorganismus in Bezug auf Oberflächenmerkmale und in Zukunft seine Aktivität in Form von Zellulase-Sekretion zu verfolgen.

Introduction

Die Replikation der Blattoberflächenmikrostruktur ist eine bekannte Methode im Forschungsfeld Biomimetik1,2,3,4. Die frühesten Replikationen der Blattoberfläche Mikrostruktur wurden mit Nagellack und Gummimaterialien auf der Blattoberfläche für eine bessere Visualisierung der Mikrostruktur angewendet durchgeführt, speziell stomata5,6,7,8,9,10. Das Verfahren wurde dann verbessert, und fortgeschrittene Polymere wurden verwendet, um Blattoberfläche Mikrostruktur mit weicher Lithographie zu imitieren, vor allem im Kontext der Biomimetik der superhydrophoben Oberflächen2,3,4,11,12. In den letzten Jahren wurde diese Methode als nützliches Werkzeug bei der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen der Blattoberfläche und Mikroorganismen auf der Oberfläche, ob sie pathogensind 13,14 oder vorteilhaft, als Teil der natürlichen Blattphyllosphäre15. Die Vereinfachung des natürlichen Systems erwies sich als äußerst nützlich bei der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Oberflächen-Mikroorganismen, selbst wenn rein synthetische Systeme als Oberflächen15,16,,17,18verwendet wurden.

Während sich die Replikation der Blattoberflächen-Mikrostruktur als nützliches Werkzeug zur Untersuchung der Wechselwirkung auf der Oberfläche des Blattes mit verschiedenen Mikroorganismen erwies, existiert kein solches Werkzeug für Pflanzenwurzeln. Pflanzenwurzeln sind schwieriger zu untersuchen, da sie unter der Erde liegen und alle Wechselwirkungen innerhalb des Bodens auftreten. Ähnlich wie bei Blättern spielt die Wurzeloberflächenmikrostruktur wahrscheinlich eine Rolle bei den Wechselwirkungen zwischen Wurzelmikroorganismen. Derzeit gibt es jedoch keine Methode, um die spezifische Rolle der Wurzeloberflächenmikrostruktur in den komplexen Wurzel-Mikroorganismus-Wechselwirkungen zu isolieren. Das am meisten untersuchte Mikrostrukturmerkmal der Wurzeloberfläche sind die Wurzelhaare19,20,21. Wurzelhaare spielen eine wichtige Rolle bei der Vergrößerung der Oberfläche und dadurch, die eine effizientere Aufnahme von Nährstoffen und Wasserermöglicht 22, aber ihre Beteiligung als strukturelles Merkmal in Wurzel-Mikroorganismus-Wechselwirkungen wurde nie getestet.

Das am weitesten verbreitete Polymer für die weiche Lithographie in Blättern ist Polydimethylsiloxan (PDMS). PDMS-Eigenschaften ähneln denen der Blattnagel15,23. Bei Pflanzenwurzeln ist jedoch Cellulose24,25 am häufigsten vorhanden, die andere Eigenschaften hat als die von PDMS26,27,28. Die Verwendung von PDMS zum Aufbau einer synthetischen Plattform zur Untersuchung der Oberflächen-Mikrostruktureffekte in Root-Umgebungs-Interaktionen ist daher nicht ideal.

Das hier vorgestellte Protokoll ermöglicht die Bildung von synthetischen Wurzeloberflächen-Mikrostruktur-Replikat aus verschiedenen Materialien. Wie bei der Methode zur Mikrostrukturreplikation von Blattoberflächen ist dies ein zweistufiger Prozess. Im ersten Schritt wird das biologische Gewebe (Wurzel) als Quelle für das Formen in eine Polyurethanform (eine negative Replik) verwendet. Die Polyurethanform, die das negative Bild der Wurzeloberflächenmikrostruktur darstellt, kann dann als Basis verwendet werden, um die positive Replikation der Wurzeloberflächenmikrostruktur aus einer Vielzahl von Materialien, einschließlich PDMS und Zellulosederivaten, zu erzeugen. Diese Wurzeloberflächenreplikation kann später als Plattform verwendet werden, um die Rolle der Oberflächenstruktur in Wurzel-Mikroorganismus-Interaktionen zu verstehen.

Protocol

1. Anbau der Pflanzen und Wurzelvorbereitung Option 1: Bereiten Sie zufällige Wurzeln aus Stamm. Nehmen Sie eine Wurzelschale für wachsende Pflanzen. Füllen Sie das Tablett mit Erde. Fügen Sie jeder Zelle im Tablett einen Samen M82 Tomatensorte hinzu. Bedecken Sie die Samen mit etwas Erde. Gießen Sie die Schale von unten mit einem Traber, da das Wasser den Boden der Schale füllt und der Boden Wasser absorbiert. Fügen Sie einmal pro Woche 2 ml Dünger pro 1 L Wasser auf den Boden des Tabletts. Wachsen Sie in einer wachsenden Kammer bei 25 °C. Verwenden Sie Lichtverhältnisse von 9 h Licht (7:00-16:00) abwechselnd mit 15 h Dunkelheit. Nach 3 Wochen die Pflanze aus dem Boden entfernen. Schneiden Sie das Wurzelsystem aus der Pflanze an der Stelle der Interaktion mit dem Stamm. Legen Sie die wurzellose Pflanze in einen bechergefüllten Becher, der mit Wasser gefüllt ist. Schneiden Sie nach ein paar Tagen die zufälligen Wurzeln, die aus dem Stamm entstehen, und verwenden Sie sie für die Replikation. Option 2: Bereiten Sie keimende Samenwurzeln vor. Nass eine Petrischale Größe Filterpapier mit Wasser. Legen Sie mehrere M82-Samen (nicht mehr als 10) auf das Papier, in eine Petrischale. Inkubieren Sie die Platte bei 25 °C. Hydratisieren Sie das Papier jeden Tag. Nach gekeimten Wurzeln sind lang genug (ca. 5 Tage), entfernen Sie die Samen und verwenden Sie die Wurzeln für die Replikation. 2. Herstellung der Wurzel negative Replik aus Polyurethan Um eine negative Repliklösung zu erzeugen, fügen Sie 9,49 g Diurethandimethacrylat zu einer 20 ml Durchstechflasche hinzu. 1,45 ml Ethylmethacrylat in die Durchstechflasche geben. Bei Raumtemperatur (RT) umrühren, bis die Lösung klar aussieht und homogen wird.HINWEIS: Ungefähr 2 h reichen aus, um eine homogene Lösung zu erreichen. 3 ml des Weichmachers, Diethylphthalat hinzufügen und 1 h bei RT umrühren.HINWEIS: Diethylphthalat ist in Acrylatmonomer mischbar. Fügen Sie 300 l des Fotoinitiators, 2-Hydroxy-2-Methylpropiophenon, und rühren Sie über Nacht bei RT. Rühren Sie weiter, bis alle Blasen entfernt sind.HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. Die Lösung kann bei RT aufbewahrt werden. Um das negative Replikat der Wurzel zu generieren, nehmen Sie eine saubere Glasfolie und gießen Sie 1 ml der negativen Replikatlösung darauf. Platzieren Sie 2-u20123-Wurzeln über der Lösung. Lassen Sie nicht zu, dass die Wurzeln vollständig von der Lösung abgedeckt werden. Halten Sie den Schlitten unter 8 W ultraviolett (UV) Lampe für 8-u201210 min. Halten Sie die Lösung nicht zu lange unter UV-Licht.HINWEIS: Es ist wichtig, die Lösung nicht zu lange unter dem UV-Licht zu halten, da es das Polyurethan zu hart macht, was es unmöglich macht, die Wurzel zu entfernen. Schalten Sie die UV-Lampe aus, entfernen Sie die Replik vom Glasschlitten und legen Sie sie in eine mit Ethanol gefüllte Petrischale, um unreagiertes Monomer zu entfernen. Um das negative Replikat zu erhalten, entfernen Sie den Stamm sehr langsam mithilfe von Zangen aus dem Replikat. 3. Bereiten Sie das positive Stammreplikat von PDMS vor. Um die Mischung für die positive Replik zu erzeugen, legen Sie 10 g Dimethylsiloxan in einen Papierbecher. 1 g Härtungsmittel hinzufügen und gründlich mischen. Halten Sie die Mischung in einem Trockenturm unter Vakuum für 2 h, um Luftblasen zu entfernen. Um die positive Replik zu erzeugen, legen Sie die Polyurethan-Negativ-Replik in eine Petrischale. Gießen Sie die PDMS-Mischung auf das negative Replikat. Vakuum für 2 h auftragen, um die Abdeckung der Mikrostruktur zu gewährleisten. Bewahren Sie die Petrischale über Nacht bei RT auf. Trennen Sie das ausgehärtete positive Replikat von Hand vom negativen Replikat. 4. Bereiten Sie die Wurzel positive Replik aus Ethylcellulose. Um die Ethylcelluloselösung zu erzeugen, 1,32 ml Diethylpthalat als Weichmacher in eine 100 ml Tasse legen. 20 ml Ethanol hinzufügen und bei RT 2 h rühren. 3,3 g Ethylcellulose zugeben und über Nacht umrühren. Um die positive Replik zu erzeugen, legen Sie die Polyurethan-Negativ-Replik in eine Petrischale. Gießen Sie die Ethylcelluloselösung auf das negative Replikat. Halten Sie die Petrischale über Nacht bei RT unter der Haube. Entfernen Sie das positive Replikat sehr langsam durch Zangen aus dem negativen Replikat.

Representative Results

Um die Replikation der Stammoberfläche zu bilden, muss eine Wurzel für das Formen ausgewählt werden. Wir bauen Tomatenpflanzen im Boden an, was den Einsatz der natürlichen Wurzel aus dem Wurzelsystem extrem schwierig macht. Die Entfernung von Boden aus dem Wurzelsystem kann schwierig sein und zusätzlich sind die Wurzelsystemwurzeln zerbrechlich und können bei Formversuchen brechen. Wir empfehlen daher, zuerst starre Wurzeln zu verwenden, um das Protokoll im Labor einzurichten. Die Bildung solcher Wurzeln ist in Abbildung 1Abeschrieben. Das Pflanzenwurzelsystem wird entfernt, nachdem die Pflanze 3 Wochen lang angebaut wurde und die wurzellose Pflanze für etwa eine Woche in Wasser gelegt wird, bis zufällige Wurzeln aus dem Stamm entstehen. Diese Roots können für die Replikation während der Protokolleinrichtung verwendet werden. Sobald das Protokoll gut etabliert ist, ist eine realistischere Wurzeloberflächenstruktur erwünscht. Hier schlagen wir vor, Wurzeln im Boden als die vollständige Entfernung von Boden in extrem herausfordernden zu vermeiden. Stattdessen schlagen wir die Verwendung von keimenden Wurzeln vor, die wertvolle Informationen über die Wurzeloberflächenmikrostruktur einer genetisch spezifischen Pflanze liefern. Das Wachstum solcher Wurzeln ist in Abbildung 1Bbeschrieben. Die Samen werden auf ein nasses Filterpapier gelegt und bei 25 °C inkubiert. Nach ca. 5 Tagen, in denen das Filterpapier feucht gehalten wird, sind die keimenden Wurzeln lang genug für die Replikation. Diese Wurzeln sind zerbrechlicher als die zuvor vorgeschlagenen Wurzeln und erfordern eine empfindlichere Pflege. Die Produktion des Mikrostrukturreplikats der Wurzeloberfläche ist ein zweistufiger Prozess. Im ersten Schritt wird die natürliche Wurzel in eine Polyurethan-basierte Form (die negative Replik) gegossen. Der Vorteil dieses Schritts ist, dass alle Materialien für die Polyurethanform vorbereitet werden und die Wurzel ganz am Ende für eine UV-Exposition von 10 min auf die vorbereitete Lösung gelegt wird. Dadurch ist das biologische Gewebe zu lange nicht harten Bedingungen ausgesetzt und kann am Ende des Prozesses schonend gehandhabt werden. Wenn alle Protokollschritte befolgt werden, wird ein gutes negatives Replikat generiert. Dieses Replikat zeigt die Zellstruktur der Wurzeloberfläche sowie Löcher, die die Position der Wurzelhaare darstellen (Abbildung 2A). Wenn einige wichtige Schritte im Protokoll nicht befolgt werden, schlägt die Prozedur fehl. Ein solcher Schritt ist die Platzierung der Wurzel auf der Polyurethanlösung vor der Aushärtung. Die Wurzel muss sehr schonend platziert werden, um das Eintauchen in die Polyurethanlösung zu vermeiden. Ein solches Eintauchen, von jedem Teil der Wurzel, wird die Verwicklung der Wurzel in das harte Polymer ohne die Fähigkeit, es zu entfernen verursachen. Wenn ein solches Ereignis eintritt, verbleibt der Stamm im negativen Replikat, nachdem er geheilt wurde (Abbildung 2B). Ein weiterer entscheidender Schritt ist die Aushärtungszeit durch UV-Licht. Die empfohlene Aushärtungszeit beträgt 8-u201210 min. Wenn man über 10 min geht, führt eine extrem harte Polyurethanform, die es unmöglich macht, die Wurzel zu entfernen, ohne sie in der Polyurethanform zu brechen. Der Bruch der Wurzel kann manchmal mit bloßem Auge sichtbar sein, z.B. wenn ein großes Stück gebrochen ist(Abbildung 2C, oben, mit violetten Pfeilen markiert). Manchmal bleiben jedoch kleine Wurzelstücke im Material zurück, die mit bloßem Auge schwer zu erkennen sind und ein Mikroskop verwendet werden muss(Abbildung 2C, unten, markiert mit violetten Pfeilen). Wir empfehlen, die Polyurethan-Negativreplika vor der Fortsetzung des Protokolls sorgfältig mit einem Mikroskop zu untersuchen, um sicherzustellen, dass keine Restwurzel vorhanden ist. Sobald die Polyurethan-Negativ-Replik apariert ist; viele Materialien können für die Herstellung des positiven Replikats verwendet werden. Die Herstellung der positiven Replik, mit dem Polyurethan-Negativ-Replika als Form, ist geradeaus und hängt vollständig von der Qualität der Polyurethan-Negativ-Replika ab. Um die positive Replik zu erzeugen, haben wir sowohl PDMS – wie es im Bereich der weichen Lithographie bekannt ist (Abbildung 3A) – als auch Ethylcellulose als Material verwendet, das die Eigenschaften der Wurzeloberfläche, die hauptsächlich aus Zellulose besteht, besser imitiert (Abbildung 3B). Das SEM-Bild des PDMS-Replikats zeigt die Wurzelhaare sehr deutlich. Die Haare befinden sich in der Dehnungszone, wo sie zu entstehen beginnen. Daher variiert die Länge der Wurzelhaare entlang der Wurzeloberfläche, wenn sie länger werden, ähnlich wie in der natürlichen Wurzel (Abbildung 3A). Ethylcellulose erzeugt härtere und weniger flexible Folie als PDMS. Daher erfordert die Entfernung aus der negativen Form mehr Sorgfalt. Einige Haare und die Oberflächenmikrostruktur sind jedoch unter dem Lichtmikroskop sichtbar (Abbildung 3B). Wir haben diese beiden Materialien verwendet, um die positive Replik zu erzeugen, aber jedes Material, das eine Folie bilden kann, wird ein guter Kandidat für die positive Replik sein, mit dem Polyurethan-Negativ-Replikat. Abbildung 1: Tomatenpflanzenwurzeln für die Replikation. (A) Eine Tomatenpflanze (M82) wird bei 25 °C mit 9 h Licht und 15 h Dunkelheit angebaut. Nach 3 Wochen wird die Pflanze aus dem Boden entfernt und das Wurzelsystem abgeschnitten. Die wurzellose Pflanze wird in Wasser gesetzt, bis nach etwa einer Woche zufällige Wurzeln aus dem Stamm entstehen. Diese Wurzeln zeigen nicht die genaue Struktur als die Wurzeln aus dem Wurzelsystem, aber sie stellen ein gutes Modell dar. Diese Wurzeln sind weniger zerbrechlich als die Wurzelsystemwurzeln und werden daher bevorzugt, um mit bei der Etablierung der Technik im Labor zu arbeiten. (B) Tomatensamen (M82) werden auf ein nasses Filterpapier in eine Petrischale gelegt und bei 25 °C inkubiert. Das Papier wird jeden Tag hydratisiert und die Samen keimen. Die Wurzeln wachsen und sind nach ca. 5 Tagen lang genug, um für die Replikation verwendet zu werden. Diese Wurzeln sind schonender und sollten verwendet werden, sobald die Methode gut etabliert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2: Mikroskopiebilder von Polyurethan-Negativreplikaten. (A) SEM-Bild von Polyurethan-Negativ-Replik athin iert nach einem Protokoll nach allen Schritten. Die Zellstruktur ist deutlich sichtbar. Gelbe Pfeile zeigen auf Löcher, die von den Haaren in der Wurzel gebildet werden. (B) Lichtmikroskopie Bilder von Polyurethan-Negativ-Replikat mit einer Wurzel im Inneren, wie es vollständig mit der Lösung bedeckt war und die Entfernung war unmöglich. Das Polyurethan-Negativ wurde mit der Wurzel im Inneren ausgehärtet. Die Wurzel ist durch Auge und lichtmikroskopische Mittel sichtbar. Es ist nicht möglich, diesen Stamm aus dem gehärteten Replikat zu entfernen. (C) Lichtmikroskopie Bilder von Polyurethan-Negativ-Replika, die zu lange unter UV-Licht gehalten wurde. Infolgedessen konnte die Wurzel nicht vollständig aus dem Polymer entfernt werden, wobei entweder große Partikel durch das Auge sichtbar waren (Oberbild, mit violetten Pfeilen markiert) oder kleine Brüche, die nur durch das Mikroskop sichtbar sind (unteres Bild, markiert mit violetten Pfeilen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3: Mikroskopbilder positiver Replik. (A) SEM-Mikrograph eines positiven Replikats aus PDMS. Die Vergrößerung zeigt Wurzelhaare. (B) Lichtmikroskopiebilder einer positiven Replik aus Ethylcellulose. Haare werden in den Bildern auf der rechten Seite angezeigt, während die Oberflächentextur im Bild auf der linken Seite sichtbar ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Wir präsentieren eine neuartige Methode zur Replikation von Wurzeloberflächenmikrostrukturen. Diese Methode basiert auf vorhandenen Methoden der Blattoberflächen-Mikrostrukturreplikation4. Um diese Methode zu entwickeln, mussten wir die bestehende Methode für Blätter optimieren. Wir erkannten, dass der problematische Schritt beim Kopieren der Blattreplikationsmethode in Wurzeln den ersten Schritt des Wurzelformens beinhaltet. Dies ist der empfindlichste Teil der Methode, da es das biologische Gewebe betrifft. Als Ergebnis wollten wir ein Polymer wählen, das relativ schonende Bedingungen für die Aushärtung erfordert und somit minimale Schäden am biologischen Gewebe verursacht. Wir haben uns für Polyurethan entschieden, weil es schnell (innerhalb von 10 min) unter UV-Licht29polymerisiert werden kann. Darüber hinaus ist es sehr hart, sobaldpolymerisiert 30 und wir hofften, dass diese Eigenschaft für die relativ einfache Entfernung der Wurzel aus der Polyurethan-Form ermöglichen würde.

Die vorgestellte Methode ist ein zweistufiger Ansatz, bei dem das negative Bild (negatives Replikat) im ersten Schritt und die Replikation im zweiten Schritt auf der Grundlage des negativen Replikats gebildet wird. Dies erweitert die Palette der Materialien, mit denen wir arbeiten können. Die Replikation der Blattoberflächen-Mikrostruktur wurde hauptsächlich auf PDMS- oder Epoxidmaterialien11,31durchgeführt. Einige Arbeiten wurden mit anderen Materialien durchgeführt, insbesondere Materialien, die das Wachstum von Mikroorganismen unterstützen13,32. Dies liegt daran, dass diese Methode in den letzten Jahren verwendet wurde, um Mikroorganismus-Oberflächen-Wechselwirkungen im Kontext der Blattoberflächenstruktur zu untersuchen. Bei dieser Methode wurden jedoch keine zelluloseähnlichen Materialien im Zusammenhang mit Blättern verwendet. Wir empfehlen die Verwendung eines Polyurethan-Negativ-Replikats als Form und eine Vielzahl von Materialien für die positive Replik. Mit anderen Worten, die positive Replik, aus einer Vielzahl von Materialien, ist relativ einfach, sobald eine gute negative Replik gemacht wird. Wir verwenden derzeit Zellulosederivate, untersuchen aber die Möglichkeiten, relevantere Materialien für die Wurzeloberfläche wie Pektin und Lignin33,34 in Kombination mit Cellulosederivaten zu verwenden.

Die Methode erweitert sich auch auf die vorhandene Methode der Mikrostrukturreplikation von Blattoberflächen, da das Blatt eine 2D-Oberfläche ist, während die Wurzeloberfläche gekrümmt ist und somit eine 3D-Oberfläche ist. Unsere Methode ermöglicht nicht die Replikation der gesamten Oberfläche, da das Einbetten der gesamten Wurzel in die Polyurethan-Lösung ihre Freisetzung nicht zulässt. Daher muss eine Seite der Wurzel beim Replizieren der Wurzeloberflächenmikrostruktur gewählt werden. Die erzeugte synthetische Oberfläche ist gekrümmt und stellt etwa die Hälfte der Oberfläche dar, aber nicht die gesamte Oberfläche. Wir gehen davon aus, dass die strukturellen Merkmale der Wurzeloberfläche meist symmetrisch um die Achse entlang der Wurzellänge sind. In Studien, in denen eine solche Symmetrie nicht angenommen wird, sollte man jedoch darauf achten, die geeignete Seitenwurzel zu wählen, um sie zu replizieren.

Wir stellen zwei Optionen für Wurzeln als Formen vor. Die erste ist die Möglichkeit der zufälligen Wurzeln aus dem Stamm gewachsen und die zweite ist die Option der gekeimten Wurzeln auf Papier. Die erste Option ist vor allem gedacht, um Forscher bei der Praxis der Methode zu unterstützen, da diese Wurzeln robuster und einfacher zu arbeiten sind. Die zweite Option stellt die genetischen Unterschiede dar, die zwischen den Wurzeln verschiedener Sorten gefunden werden können, unabhängig von den Umweltbedingungen. Diese Oberflächen können als wichtige Forschungswerkzeuge verwendet werden, aber man sollte sich bewusst sein, dass die Umwelt einen starken Einfluss auf die Wurzeloberflächenstruktur haben kann, insbesondere den Boden, in dem die Wurzeln wachsen35,36. Aufgrund der mechanischen Belastung durch den Boden, einige morphologische Veränderungen sind verpflichtet, zusätzlich zu Wunden auf der Oberfläche anfallen, wie die Wurzel in den Boden eindringt37. Die Entfernung von Wurzeln aus dem Boden sowie deren Reinigung, ohne ihre Struktur zu beschädigen, ist eine sehr schwierige Aufgabe. Daher sind wir nicht optimistisch, was die Fähigkeit angeht, diese Methode zu verwenden, um die Wurzeloberflächenmikrostruktur von Wurzeln, die im Boden angebaut werden, zuverlässig nachzuahmen. Für Die Forschung, die sich auf genetische Unterschiede oder Umweltunterschiede konzentriert, bei denen die Veränderung der Mikrostruktur spürbar klar ist, kann diese Methode jedoch als Werkzeug verwendet werden, um den Einfluss der Mikrostruktur der Wurzeloberfläche zu untersuchen.

Unsere Methode erzeugt eine inerte Oberfläche, die nur die mikrostrukturellen Eigenschaften der Wurzeloberfläche imitiert. Während diese Methode entwickelt wurde, um die strukturellen Effekte in Wurzel-Umgebung-Wechselwirkungen von allen anderen Effekten zu trennen, können wir die chemischen Verbindungen in diesen Wechselwirkungen nicht ignorieren. Einige Mikroorganismen können nicht überleben oder funktionieren auf der Oberfläche ohne die Zugabe von Verbindungen, insbesondere Nährstoffe. Der nächste Schritt in der Entwicklung dieser Plattform wird die kontrollierte Zugabe von chemischen Verbindungen sein, um ihre Auswirkungen auf die verschiedenen Wechselwirkungen in Kombination mit Struktur zu untersuchen.

Diese Methode wurde als erster Schritt in der Entwicklung einer synthetischen Plattform zur Untersuchung von Wurzel-Mikroorganismus-Wechselwirkungen entwickelt. Hier imitieren wir die Mikrostruktur der Wurzeloberfläche und diese erste Plattform kann verwendet werden, um den Einfluss der Oberflächenmikrostruktur auf das Verhalten von Mikroorganismen zu untersuchen. Diese Plattform ist jedoch begrenzt, da es an vielen anderen Elementen aus dem natürlichen System fehlt. Diese Plattform sollte unter Verwendung der richtigen Materialien zur Erzeugung der Oberfläche und unter Zugabe anderer, kritischer Chemikalien in das System weiterentwickelt werden. In einer fortschrittlicheren Plattform können wir uns auch die räumliche Verteilung der Chemikalien vorstellen. Da es jedoch derzeit keine andere Methode gibt, um strukturelle Effekte in Wurzel-Mikroorganismus-Wechselwirkungen zu isolieren, hoffen wir, dass Forscher diese ursprüngliche Plattform nutzen könnten, um strukturspezifische Fragen in diesen Wechselwirkungen zu stellen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Forschung wurde durch Saatgutfonds von der Agricultural Research Organization to MK unterstützt.

Materials

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
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Kumari, P., Sayas, T., Kleiman, M. Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography. J. Vis. Exp. (162), e61437, doi:10.3791/61437 (2020).
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