Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han desarrollado un microscopio personalizado para obtener imágenes de microbios en el suelo y las plantas a escala micrométrica.
por Anne M Stark, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Las imágenes en vivo de microbios en el suelo ayudarían a los científicos a comprender cómo ocurren los procesos microbianos del suelo en la escala de micrómetros, donde las células microbianas interactúan con minerales, materia orgánica, raíces de plantas y otros microorganismos. Debido a que el entorno del suelo es heterogéneo y dinámico, estas interacciones pueden variar sustancialmente dentro de un área pequeña y en escalas de tiempo cortas.
La obtención de imágenes de interacciones biogeoquímicas en sistemas microbianos complejos, como los que se encuentran en la interfaz suelo-raíz, es crucial para los estudios del clima, la agricultura y la salud ambiental, pero se complica por la colocación tridimensional (3D) de materiales con una amplia gama de propiedades ópticas.
Los microagregados (<250 μm) formados y compuestos a partir de la descomposición microbiana de la materia orgánica del suelo están habitados por distintas comunidades microbianas que potencialmente conducen a metabolismos y funciones muy divergentes dentro del volumen de suelo que normalmente se muestrea para análisis moleculares, genómicos o fisicoquímicos. Además de la heterogeneidad microbiana, los microorganismos también responden rápidamente a los cambios en la temperatura del subsuelo, la humedad, la disponibilidad de nutrientes, las moléculas de señalización y otras condiciones.
Los investigadores han buscado una amplia gama de técnicas de imagen en un esfuerzo por comprender los aspectos espaciales y temporales de estos procesos, pero las características combinadas del suelo y los microbios, incluidas las propiedades físicas y las escalas de longitud, siguen dificultando el seguimiento y la caracterización de las interacciones microbio-planta-suelo. con el tiempo un desafío significativo.
En los últimos años, algunos de los avances más impresionantes en la obtención de imágenes del suelo se han logrado con la tomografía computarizada de rayos X y la resonancia magnética. Estos modos son notables porque son capaces de obtener imágenes en profundidad del suelo y, por lo tanto, pueden proporcionar una visión sin precedentes de la arquitectura de las raíces de las plantas, la estructura del suelo e incluso el movimiento del agua. Incluso se han utilizado para imágenes en vivo.
Pero estos mismos métodos no pueden obtener imágenes de microbios como hifas y bacterias individuales debido a limitaciones de contraste o resolución. Los investigadores del LLNL recurrieron a métodos ópticos (imágenes con luz en el espectro ultravioleta, visible e infrarrojo) que les permitieron obtener imágenes de microbios en el suelo y las plantas .
«Queríamos obtener imágenes en el rango óptico porque es conveniente, suave y rápido, pero sabíamos que necesitábamos adoptar un nuevo enfoque para generar contraste para poder obtener imágenes de microbios en matrices naturales», dijo el químico del LLNL Peter Weber, el Lider del Proyecto.
El equipo desarrolló un enfoque de óptica no lineal multifotónica sin etiquetas utilizando múltiples modos de imagen para generar información química y de contraste para los microorganismos del suelo en las raíces y los minerales.
«La microscopía multifotónica tiene múltiples ventajas sobre los métodos de un solo fotón, como las imágenes de fluorescencia estándar y Raman», dijo el físico del LLNL Janghyuk Lee, el autor principal. «La ventaja número 1 es que proporciona una señal alta con un bajo riesgo de dañar la muestra».
El enfoque que desarrolló el equipo de LLNL permite una señal fuerte para la obtención de imágenes generales de microbios, plantas y minerales; imágenes químicas sin etiquetas de alto contraste que pueden apuntar a biomoléculas y minerales de diagnóstico; señales muy fuertes de minerales específicos y algunas biomoléculas; y mayor contenido de información, penetración más profunda, menos dispersión y menos fotodaño en comparación con la microscopía confocal. La investigación aparece en la revista Environmental Science and Technology .
Con este instrumento, el equipo obtuvo imágenes de estructuras de hongos micorrízicos arbusculares simbióticos dentro de raíces de plantas sin teñir en 3D a 60 μm de profundidad. Fue posible obtener imágenes de alta calidad a una profundidad de hasta 30 μm en una matriz de partículas de arcilla ya 15 μm en una preparación de suelo compleja.
«Nuestro próximo paso es integrar la óptica adaptativa en este sistema e intentar obtener una imagen más profunda», dijo el físico de LLNL Ted Laurence, autor principal del estudio.
La técnica permitió a los investigadores identificar gotas de lípidos previamente desconocidas en el hongo simbiótico Serendipita bescii. También visualizaron bacterias putativas sin teñir asociadas con las raíces de Brachypodium distachyon en un microcosmos de suelo.
«Nuestros resultados muestran que este enfoque multimodal es una promesa significativa para la investigación de la ciencia del suelo y la rizosfera «, dijo el físico del LLNL, Sonny Ly, autor principal del estudio. «Estamos particularmente entusiasmados con el potencial del microscopio para la obtención de imágenes químicas, como la identificación de lípidos en el hongo».
Otros científicos del LLNL incluyen a Rachel Hestrin, Erin Nuccio, Jennifer Pett-Ridge, Keith Morrison, Christina Ramon y Ty Samo.
