Разработан микроскоп для визуализации микробов в почве и растениях в микрометровом масштабе
Ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) создали специальный микроскоп для визуализации микробов в почве и растениях в микрометровом масштабе.
Прямое наблюдение за микробами в почве поможет понять, как микробные процессы происходят на масштабе микрометров, где клетки микроорганизмов взаимодействуют с минералами, органическим веществом, корнями растений и другими микробами. Поскольку почвенная среда неоднородна и динамична, эти взаимодействия могут существенно различаться на малой площади и в короткие промежутки времени.
Визуализация биогеохимических взаимодействий в сложных микробных системах, например, на границе почва–корень, важна для изучения климата, сельского хозяйства и здоровья окружающей среды. Однако она осложнена трехмерным (3D) расположением материалов с широким диапазоном оптических свойств.
Микроагрегаты (<250 μm), образованные в результате микробного разложения органического вещества почвы, населены особыми микробными сообществами. Это может приводить к сильно различающимся метаболизму и функциям в пределах объема почвы, обычно отбираемого для молекулярного, геномного или физико-химического анализа. Помимо неоднородности микробов, микроорганизмы также быстро реагируют на изменения температуры, влажности, доступности питательных веществ, сигнальных молекул и других условий в недрах.
Исследователи использовали множество методов визуализации, чтобы понять пространственные и временные аспекты этих процессов. Однако совокупность характеристик почвы и микробов, включая физические свойства и масштабы длины, продолжает делать мониторинг и характеристику взаимодействий микроб–растение–почва во времени серьезной проблемой.
В последние годы некоторые из наиболее впечатляющих достижений в визуализации почвы были достигнуты с помощью рентгеновской компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии. Эти методы примечательны тем, что могут проникать глубоко в почву, обеспечивая беспрецедентное понимание архитектуры корней растений, структуры почвы и даже движения воды. Их даже использовали для наблюдения в реальном времени.
Но эти же методы не могут визуализировать микробов, таких как отдельные гифы и бактерии, из-за ограничений контраста или разрешения. Исследователи LLNL обратились к оптическим методам — визуализации с помощью света в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном спектре, что позволило им увидеть микробов в почве и растениях.
«Мы хотели визуализировать в оптическом диапазоне, потому что это удобно, щадяще и быстро, но мы знали, что нам нужен новый подход к созданию контраста, чтобы иметь возможность видеть микробов в естественных матрицах», — сказал химик LLNL Питер Вебер, руководитель проекта.
Команда разработала метод безметочной мультифотонной нелинейной оптики, использующий несколько режимов визуализации для создания контраста и химической информации о почвенных микроорганизмах в корнях и минералах.
«Мультифотонная микроскопия имеет несколько преимуществ перед однофотонными методами, такими как стандартная флуоресцентная визуализация и Раман-спектроскопия, — сказал физик LLNL Джангхюк Ли, ведущий автор. — Преимущество номер один — она обеспечивает высокий сигнал при низком риске повреждения образца».
Разработанный командой LLNL подход обеспечивает:
- Сильный сигнал для общей визуализации микробов, растений и минералов.
- Высококонтрастную безметочную химическую визуализацию, способную выявлять диагностические биомолекулы и минералы.
- Очень сильные сигналы от определенных минералов и некоторых биомолекул.
- Больший объем информации, большее проникновение, меньшее рассеяние и меньшее фотоповреждение по сравнению с конфокальной микроскопией.
Исследование опубликовано в журнале Environmental Science and Technology.
Используя этот прибор, команда визуализировала в 3D структуры симбиотических арбускулярных микоризных грибов внутри неокрашенных корней растений на глубину до 60 μm. Высококачественная визуализация была возможна на глубине до 30 μm в матрице глинистых частиц и на 15 μm в сложном почвенном препарате.
«Наш следующий шаг — интегрировать адаптивную оптику в эту систему и попытаться визуализировать глубже», — сказал физик LLNL Тед Лоренс, старший автор исследования.
Метод позволил исследователям идентифицировать ранее неизвестные липидные капли у симбиотического гриба Serendipita bescii. Они также визуализировали неокрашенные предполагаемые бактерии, ассоциированные с корнями Brachypodium distachyon, в почвенном микроскосме.
«Наши результаты показывают, что этот мультимодальный подход имеет значительные перспективы для исследований ризосферы и почвоведения, — сказал физик LLNL Сонни Ли, старший автор исследования. — Мы особенно воодушевлены потенциалом микроскопа для химической визуализации, например, идентификации липидов в грибе».
В работе также участвовали другие ученые LLNL: Рэйчел Хестрин, Эрин Нуччио, Дженнифер Петт-Ридж, Кит Моррисон, Кристина Рамон и Тай Само.