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

本次分享一篇由浙江大學(xué)徐建明團(tuán)隊(duì)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(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)根際環(huán)境的動(dòng)態(tài)原位檢測，我們建立了基于微流控技術(shù)的iRhizo-Chip平臺(tái)。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(dòng)。對根際溶解氧（DO）、pH、溶解有機(jī)碳和活性氧物種的時(shí)空動(dòng)態(tài)分析表明，B. subtilis的晝夜生長波動(dòng)可能與多種環(huán)境因素有關(guān)?？臻g動(dòng)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(shí)驗(yàn)，我們證明了根際DO和pH是B. subtilis日間生長波動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。研究結(jié)果表明，B. subtilis的生長受根際DO和pH的驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致日間波動(dòng)，而iRhizo-Chip是研究植物根際動(dòng)態(tài)的有價(jià)值工具。

實(shí)驗(yàn)證明，iRhizo-Chip能夠以高空間和時(shí)間分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測根際土壤中的B. subtilis動(dòng)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(dòng)態(tài)的理解。觀察到的B. subtilis的日波動(dòng)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(shí)間動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(dòng)態(tài)原位檢測能力為根際微生物動(dòng)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(dòng)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(xiǎn)和促進(jìn)可持續(xù)土地管理策略至關(guān)重要。這個(gè)工具不僅增強(qiáng)了我們對根際動(dòng)態(tài)的理解，而且還促進(jìn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)在實(shí)際、環(huán)保的農(nóng)業(yè)實(shí)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(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)，幫助研究人員動(dòng)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(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)現(xiàn)沉積物/土壤/植物根際/水體中pH、DO和CO₂的實(shí)時(shí)高分辨率檢測，這在光電傳感技術(shù)領(lǐng)域是一項(xiàng)重要的突破。