微流控技术在植物研究中的应用

1.    微流控技术在植物研究中的意义

微流控系统可构建微环境，对植物细胞、组织甚至种子进行高通量、实时的表型分析和动态监测；同时，可用于构建化学梯度场，研究植物细胞对激素、生物胁迫或环境变化的响应机制。

其在单细胞操控、根系生长研究、植物-微生物互作模拟等方面的应用，显著提高了实验效率和数据精度。

通过深入探索植物的光合作用、信号转导、发育机制以及与环境的相互作用，不仅有助于揭示生命科学的核心规律，还为作物改良、生态修复和新型天然产物开发提供理论基础和技术支撑。

面对全球气候变化和人口增长带来的粮食安全挑战，植物研究在提升作物抗逆性、优化资源利用效率和发展绿色农业方面发挥着关键作用。

2.    微流控芯片技术在植物研究中的应用

1)    植物细胞的研究

原生质体是植物的基本细胞单位，去除了细胞壁但保留完整质膜，近年来微流控技术被广泛应用于其收集、培养、融合、再生和表征等研究中。

通过结合电阻抗分析、数字微流控芯片、电穿孔技术和高分辨率成像，研究人员实现了对原生质体的单细胞捕获、酶活成像、抗氧化活性评估及细胞壁再生等过程的动态监测。

微流控平台还被用于培养如小立碗藻、烟草BY-2等植物细胞，实现了对细胞分裂、胞间连丝和代谢互作的模拟与观察。

此外，基于电导传感器的新型微流控装置SEMPSS能在单气孔水平上长期监测气孔开闭，为深入理解植物对环境的响应机制提供了新工具。

2)    植物根的研究

植物根系在养分吸收和环境适应中发挥关键作用，根毛作为提高磷吸收和水分获取能力的重要结构，受到了研究者的关注。

然而由于其微小尺寸和被土壤遮蔽，传统手段难以对其进行高分辨率研究。

微流控技术为根系的原位、无损和动态成像提供了有效手段，如RootChip、RootArray、D-Root等平台实现了拟南芥等植物根系的高通量成像、表型分析和胞内信号监测，甚至可用于模拟自然暗环境或多胁迫条件下的根生长状态。

研究还涉及种子发芽至幼苗发育全过程的连续观察、根毛顶端生长的动态成像，以及在盐胁迫、激素作用或金属离子存在下的根部反应。

进一步的微流控设计如花瓣状根芯片、ROS成像芯片和3D打印开放式平台，则拓展了对水稻等作物根系发育和根际微环境响应的探索，为植物根系研究提供了高通量、高分辨率、可定制的实验平台，有助于深入揭示植物根系的生理机制及其对复杂环境的适应策略。

3)    植物根与周围环境相互作用的研究

植物根在与微生物的相互作用中起着关键作用，驱动着根际微环境的动态变化。

近年来，微流控技术的发展为以高时空分辨率研究根-微生物相互作用提供了强有力的工具。

研究人员通过各种微流控平台如RootChip、TRIS、dfRootChip、Root-TRAPR和RMI-chip等，实现了对植物根与有益细菌、真菌等微生物在受控环境下的实时观察和定量分析。

技术如“Soil-on-a-Chip”和模拟根际孔隙结构的rhizosphere-on-a-chip，成功模拟了土壤复杂环境，为研究根系分泌物、微生物偏好、根际信号转导等提供了实验平台。

此外，集成色度传感器的纸基微流控芯片等低成本装置也显示出在根系分泌物筛选方面的巨大潜力。

人造生态系统EcoFAB及其衍生装置则实现了多种植物在无菌条件下长期培养和跟踪，推动了植物与微生物互作机制在自然模拟环境下的深入研究。

4)    植物花粉管的研究

花粉管作为研究植物形态发生、细胞分化和生物力学等过程的重要模型，其尖端极化生长的生化力学研究需要一个通用的实验分析平台。

实验室芯片（LoC）技术可将大量花粉管定位在同一聚焦平面上，实现高分辨率成像和高通量表型分析。

研究者开发了多种基于微流控和电气刺激的装置，如ELoC用于探究电场对花粉管生长的影响、TipChip用于评估穿透能力，以及模块化LoC装置用于测量百合花粉管的膨压和壁刚度，揭示其力学性能受初始直径影响显著。

Hu等利用微电极系统产生局部质子梯度，证实花粉管细胞质pH会随环境变化而改变。

Yanagisawa等开发的生长室平台可在受限空间内可视化花粉管和其他顶端生长细胞（如根毛和苔藓原体）对微间隙的响应，观察其在空间受限下的形态和细胞核动态变化。