Environmental Science & Technology | 研究揭示植物根际系统的无标记微生物成像技术！
土壤微生物过程发生在微米级，微生物细胞与矿物质、有机物、植物根系和分泌物以及其他微生物相互作用。由于土壤环境是异质的和动态的，这些相互作用可能在小范围内和短时间尺度内发生很大变化。不同的微生物群落可以栖息在附近的微团聚体 (<250 μm)，可能导致在通常为分子、基因组或物理化学分析而采样的土壤体积内的高度不同的新陈代谢和功能。微生物还对地下温度、水分、养分有效性、信号分子和其他条件的变化做出快速反应。研究人员已经正在寻求更广泛的成像技术来了解这些过程的空间和时间变化，如土壤和微生物的综合特征，包括物理特性和长度尺度。
2022年1月14日，国际权威学术期刊Environmental Science & Technology发表了美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Peter Weber团队的最新相关研究成果，题为Label-Free Multiphoton Imaging of Microbes in Root, Mineral, and Soil Matrices with Time-Gated Coherent Raman and Fluorescence Lifetime Imaging的研究论文。
在复杂的微生物系统中成像生物地球化学的相互作用（如在土壤-根系界面）对气候、农业和环境健康的研究至关重要，但由于具有广泛光学特性的材料的三维（3D）并列而变得复杂。本研究开发了一种无标记的多光子非线性成像方法，通过同时对双光子激发荧光（TPEF）、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）、二次谐波发生（SHG）和总频混合（SFM）进行成像，为根部和矿物中的土壤微生物提供对比度和化学信息。科研人员使用荧光寿命成像（FLIM）和时闸，利用时间相关单光子计数（TCSPC）对土壤颗粒和真菌菌丝（TG-CARS）的自发荧光背景进行校正。科研人员将TPEF、TG-CARS和FLIM结合起来，最大限度地提高了根部和土壤基质中的活体真菌和细菌的图像对比度，而无需荧光标记。使用该仪器，对未染色的植物根部内的共生菌根真菌（AMF）结构进行了三维成像，深度达60μm。在粘土颗粒基质中，深度可达30微米，在复杂的土壤制备中，深度可达15微米，都可以实现高质量的成像。TG-CARS使我们能够在共生真菌Serendipita bescii中识别以前未知的脂质滴。本研究还在一个土壤微观世界中看到了与二穗短柄草的根部相关的未染色的细菌。结果表明，这种多模式的方法对根瘤和土壤科学研究具有重要的前景。
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