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平面光極(PO)技術(shù)根際監(jiān)測溶解氧(DO)和pH檢測的案例

更新時間:2024-10-22   點擊次數(shù):448次

本次分享一篇由浙江大學(xué)徐建明團(tuán)隊在《PNAS》上發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文“Dynamic in situ detection in iRhizo-Chip reveals diurnal fluctuations of Bacillus subtilis in the rhizosphere"

微生物在根際的有效定殖對于建立宿主植物的有益共生關(guān)系至關(guān)重要。土壤棲居細(xì)菌枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)常與植物及其根際共生,因其有助于植物生長、抑制病原體并有助于可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐而備受關(guān)注。然而,由于現(xiàn)有的原位檢測技術(shù)的限制,關(guān)于B. subtilis在根際內(nèi)的動態(tài)分布及其與植物根系的相互作用機(jī)制的研究仍不足。為了實現(xiàn)根際環(huán)境的動態(tài)原位檢測,我們建立了基于微流控技術(shù)的iRhizo-Chip平臺。使用該設(shè)備研究根際微生物的行為,我們發(fā)現(xiàn)B. subtilis在根際內(nèi)的生長存在明顯的晝夜波動。對根際溶解氧(DO)、pH、溶解有機(jī)碳和活性氧物種的時空動態(tài)分析表明,B. subtilis的晝夜生長波動可能與多種環(huán)境因素有關(guān)??臻g動態(tài)分析還顯示,B. subtilis、DO和pH的空間分布變化相似。隨后,通過體外控制實驗,我們證明了根際DO和pH是B. subtilis日間生長波動的主要驅(qū)動力。研究結(jié)果表明,B. subtilis的生長受根際DO和pH的驅(qū)動,導(dǎo)致日間波動,而iRhizo-Chip是研究植物根際動態(tài)的有價值工具。

實驗證明,iRhizo-Chip能夠以高空間和時間分辨率實時監(jiān)測根際土壤中的B. subtilis動態(tài)行為,為理解植物和微生物在自然條件下的復(fù)雜相互作用提供了新的途徑,顯著增強(qiáng)了我們對根際界面多因素動態(tài)的理解。觀察到的B. subtilis的日波動強(qiáng)調(diào)了微生物群落對環(huán)境變化的響應(yīng)性,與宿主植物的生理節(jié)律密切相關(guān)。這種相關(guān)性強(qiáng)調(diào)了將微生物群落的時間動態(tài)整合到微生物接種和生物肥料策略開發(fā)中的必要性,可能導(dǎo)致更有效和環(huán)保的農(nóng)業(yè)實踐。近年來,原位研究方法要么依賴于過度簡化的模擬環(huán)境,要么難以實現(xiàn)高分辨率。嘗試使用微流體系統(tǒng)對植物根系進(jìn)行水培,以及結(jié)合使用允許控制養(yǎng)分供應(yīng)的透明土壤,仍然遠(yuǎn)離實際的根際土壤環(huán)境的復(fù)雜性,并且在耦合分析各種根際環(huán)境因素及其動態(tài)變化方面也不太有效。iRhizo-Chip的應(yīng)用代表了根際研究的實質(zhì)性進(jìn)展,從通常依賴于破壞性采樣方法來分析理化和微生物學(xué)特性的傳統(tǒng)研究中轉(zhuǎn)變過來。同時,考慮到iRhizo-Chip與各種原位技術(shù)的高兼容性,它進(jìn)一步增強(qiáng)了我們評估根際界面中關(guān)鍵元素如氮和硫的區(qū)域循環(huán)行為的能力。此外,iRhizo-Chip的動態(tài)原位檢測能力為根際微生物動態(tài)提供了寶貴的見解,對環(huán)境可持續(xù)性和農(nóng)業(yè)創(chuàng)新的未來具有重要意義。在這方面,iRhizo-Chip被證明是研究根際界面多因素耦合動態(tài)生化過程的有效和可靠工具。它提供了至關(guān)重要的見解,對于優(yōu)化農(nóng)業(yè)方法、降低環(huán)境風(fēng)險和促進(jìn)可持續(xù)土地管理策略至關(guān)重要。這個工具不僅增強(qiáng)了我們對根際動態(tài)的理解,而且還促進(jìn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)在實際、環(huán)保的農(nóng)業(yè)實踐中的應(yīng)用。

在這篇文章中,平面光極技術(shù)(Planar Optode, PO)起到了監(jiān)測根際環(huán)境中溶解氧(DO)和pH值的關(guān)鍵作用。具體來說,它與iRhizo-Chip結(jié)合使用,能夠提供高時空分辨率的數(shù)據(jù),幫助研究人員動態(tài)監(jiān)測和分析根際中這些環(huán)境因素的變化。通過使用平面光極技術(shù),研究人員能夠?qū)崟r記錄根際的DO和pH變化,從而揭示這些因素如何影響芽孢桿菌(Bacillus subtilis)的生長和分布。這種監(jiān)測對于理解根際微生物的動態(tài)行為及其與植物根系的相互作用至關(guān)重要。平面光極技術(shù)是當(dāng)今先進(jìn)的光電傳感技術(shù)之一,智感環(huán)境團(tuán)隊基于這種技術(shù),相繼開發(fā)出了一種封閉式平面光極設(shè)備(PO2100)和一種便攜式平面光極設(shè)備(PO1100),可實現(xiàn)沉積物/土壤/植物根際/水體中pH、DO和CO2的實時高分辨率檢測,這在光電傳感技術(shù)領(lǐng)域是一項重要的突破。



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