基于微流控系统及多位点检测的植物抗病相关激素互作研究

With the coupled development of biology and other disciplinary, the study of anti-disease mechanism of plants has gradually progressed from macro to micro scale, from group to individuals, from organs to cells (single cell). The bottleneck of such investigations is, however, how to obtain the in situ information of cell phenotypes and monitoring of phytohormones in real time. This proposal aims to simulate interactive modals between Arabidopsis thaliana and pathogens (including Meloidogyne spp., Pseudomonas syringae and pathogenesis-related proteins) by culturing Arabidopsis thaliana mutants correlated with signal paths of IAA and SA in the microfluidic systems for the study of growth status of specific locations and the interactive process in the interaction processes between plant cells and pathogens. Meanwhile, the technique of multi-location electrochemical detection would be applied for monitoring of anti-disease related phytohormones, such as IAA and SA, in various locations of plants. The obtained dynamic data of IAA and SA coupled with the plant phenotypes could be utilized for further investigation of interactive relationship, generation and transmission mechanisms of IAA and SA under biostresses. This study would possibly provide a novel strategy for deep investigation of anti-disease mechanisms of plants.

随着生命科学及交叉学科的发展，植物抗病机制的研究已逐步从宏观到微观，从群体走向个体，从器官走向细胞（单细胞）。如何获得植物细胞与病原物互作过程中细胞表型及植物信号分子的实时信息，已成为植物抗病机制深入研究的一个瓶颈。本项目拟在微流控系统中利用与IAA和SA信号通路相关的拟南芥突变体，实时原位的观察拟南芥和病原物（包括根结线虫、丁香假单胞杆菌、病原蛋白）互作过程中植物特定部位的生长动态，植物细胞与病原物的互作过程。同时利用电化学检测植株特定位点及细胞水平上的抗病相关植物激素分子（SA和IAA）。获得的实验结果可用于研究生物胁迫下SA和IAA的产生和传导机制以及二者之间的互作关系。这一研究将为植物抗病机制的深入提供一种新的策略。

如何获得植物生长发育以及应答环境变化过程中显微表型和植物信号分子如生长素（主要是吲哚乙酸）、水杨酸和过氧化氢的实时信息，已成为深入研究植物生长发育以及应答环境变化机制瓶颈。本项目首先将微流控技术引入到植物学研究，构建了用于研究拟南芥根系发育的微流控系统，研究了拟南芥根系在非生物胁迫下的微型态变化；构建了用于分离和培养植物原生质体的微流控系统，并研究BTH和Psd DC3000作用原生质体过程中，植物原生质体的细胞壁再生过程。进一步在前期纸基电化学实时检测生长素和水杨酸的基础上，结合多通道电化学检测系统，提高了样品检测的通量，实现多个样品水杨酸和生长素的同时电化学检测，该系统有助于研究水杨酸和生长素在植物体内不同部位的浓度分布及其动态变化。这一系统在植物再生过程中，生长素实时变化研究中得到了进一步的应用。利用铅笔划痕修饰的导电碳胶带，可批量制作用于水杨酸检测的一次性电化学工作电极，用于丁香假单胞菌侵染番茄后，番茄叶片内水杨酸的检测，该方法可以利用智能绘图设备进行重现性更好的批量制作，可在水杨酸的实时检测中进一步发挥作用。为了研究生长素在拟南芥叶片中分布，我们进一步研究了不同取样面积对检测生长素的影响，并将取样面积从4 mm缩小至1 mm, 进而研究了生长素在拟南芥真叶和子叶中的分布。近期，通过在ITO玻璃上电镀纳米金，结合纸基电化学分析装置，构建了金纳米粒子修饰的ITO电极的电化学分析系统，实现在番茄叶片接种灰葡萄孢菌后，番茄叶片内的过氧化氢实时检测。综上所述，本项目构建的植物根系芯片和原生质体芯片具有集成度高、高通量、易观察的特点，显著提高植物学研究中时间与空间的分辨率；通过纸基电化学装置，实现了水杨酸、生长素和过氧化氢实时检测，有助于研究它们在植物体内的生成位置、传输过程和互作机制。我们的研究为植物学研究的深入提供了一种新的研究策略。