编辑推荐：
为解决慢生型大豆根瘤菌（B. diazoefficiens）在土壤孔隙中运动难以预测的问题，研究人员利用微流控装置开展其在微限域下运动行为的研究。结果发现菌株在窄通道中速度降低、转向增多，还构建了模型。该研究为理解根瘤菌行为提供新视角。
在神奇的微观世界里，土壤中的细菌如同一个个忙碌的小生命，它们的活动对于土壤生态系统和植物生长有着至关重要的影响。其中，慢生型大豆根瘤菌（Bradyrhizobium diazoefficiens）作为大豆的共生固氮伙伴，能将空气中的氮气转化为植物可利用的形式，就像为大豆量身定制的 “天然肥料工厂” ，在农业生产中具有不可替代的作用。它拥有两个鞭毛系统，这使得它能够在水中游动，理论上也能在土壤中穿梭，寻找大豆根部进行共生。
然而，土壤对于这些小细菌来说，就像是一个复杂而神秘的迷宫。土壤是由大小各异、形状不规则的颗粒组成，其中布满了狭窄、弯曲且充满变化的孔隙和通道。而且，土壤中的水分含量也在不断变化，时而湿润，时而干燥。在这样的环境中，慢生型大豆根瘤菌从接种点到感染目标（大豆根部）的运动过程充满了未知。由于无法直接观察细菌在土壤中的运动，以往的研究大多依赖间接方法，比如通过改变细菌鞭毛相关基因，观察突变体的运动情况来推测正常细菌的行为，但这种方法并不能准确反映细菌在真实土壤中的运动情况。所以，科学家们迫切需要一种新的研究手段，来揭开慢生型大豆根瘤菌在土壤中运动的神秘面纱。
为了解决这些问题，来自智利大学（Universidad de Chile）、阿根廷国立科尔多瓦大学（Universidad Nacional de Córdoba）等机构的研究人员展开了一项深入研究。他们另辟蹊径，利用微流控技术，制造出了模拟土壤结构的微流控装置。这个装置就像是一个缩小版的土壤世界，里面有各种大小的 “土壤颗粒” 和连接它们的 “孔隙通道” ，研究人员可以通过它直接观察细菌在类似土壤环境中的运动情况。
研究人员选用了慢生型大豆根瘤菌的野生型菌株和一种只有亚极鞭毛的突变体菌株进行实验。他们通过明亮场显微镜和数字成像技术，记录并追踪了数千个细菌在微流控装置中的运动轨迹。结果发现，随着通道宽度逐渐减小，两种菌株的游泳速度都明显降低。在较宽的通道中，野生型菌株凭借两个鞭毛系统，游泳速度比突变体菌株快；但在最窄的通道中，这种速度优势消失了，两种菌株的平均游泳速度几乎相同。
同时，研究人员还发现，在微通道中，细菌的转向行为也发生了变化。它们常常会进行 180° 的转向，这种 “Run and Reverse”（RR）行为在狭窄通道中更为常见。而且，通道壁对细菌的运动影响很大，随着通道变窄，细菌与通道壁的相互作用增多，更多地沿着壁游动，导致 RR 行为的比例增加。
为了更深入地理解细菌的运动规律，研究人员根据测量得到的运动参数，建立了一个模型，并进行了数值模拟。模拟结果与实验观察到的现象高度吻合，能够很好地再现细菌在微流控装置中的复杂运动行为。这不仅验证了实验结果的准确性，还为进一步研究细菌在更大尺度和更长时间内的运动提供了有力的工具。
这项研究成果发表在《Communications Biology》上，具有重要的意义。它为我们理解慢生型大豆根瘤菌在土壤中的运动行为提供了全新的视角，有助于优化生物肥料的使用，提高大豆的固氮效率和产量。同时，研究中使用的微流控技术和建立的模型，也为研究其他土壤细菌的行为提供了可借鉴的方法，推动了土壤微生物学领域的发展。
研究人员开展这项研究主要用到了以下几个关键技术方法：
- 微流控装置制备技术：运用标准光刻和软光刻方法制作微流控装置，其内部通道网络基于 Voronoi 镶嵌设计，模拟土壤颗粒和孔隙结构。
- 细菌培养与接种技术：培养慢生型大豆根瘤菌的野生型及突变体菌株，接种到微流控装置中。
- 显微镜成像与细菌追踪技术：利用倒置显微镜和 CMOS 相机记录细菌运动，通过 Biotracker 软件分析视频，获取细菌轨迹和运动参数。
- 数值模拟技术：根据实验测量的运动参数，建立模型模拟细菌在微流控装置中的运动。
研究结果
- 微生物在微限域下游泳速度降低：研究人员制作了具有不同宽度通道的微流控装置，模拟土壤中不同程度的孔隙限制。通过实验发现，随着通道宽度从 20μm 减小到 5μm，野生型（WT）和 ΔlafA 菌株的游泳速度均逐渐降低。在入口处，WT 菌株平均速度为 24.42±3.63μm/s ，ΔlafA 菌株为 22.27±3.18μm/s ；在 5μm 宽的通道中，WT 菌株降至 18.27±2.25μm/s ，ΔlafA 菌株降至 18.02±1.91μm/s。同时，速度分布也发生变化，WT 菌株在微通道中速度分布变窄、变高且不对称，而 ΔlafA 菌株速度分布保持对称，但整体速度下降。
- 慢生型大豆根瘤菌在微通道中的游泳策略：研究人员通过定义转向角度（Φ）来量化细菌的转向行为。在入口处，两种菌株的转向角度分布较为均匀；在微通道中，随着通道变窄，两种菌株大角度转向（Φ>160°，即 RR 行为）的概率增加。在 5μm 宽的通道中，WT 菌株约 32% 的转向为 RR 行为，ΔlafA 菌株约为 37%，表明通道壁的影响使得细菌更多地沿着壁游动，改变了其游泳策略。
- 在简单土壤模拟微流控装置中的模拟：基于实验测量的运动参数，研究人员建立模型并进行数值模拟。模拟结果能够准确再现细菌在微流控装置中的运动行为，包括与通道壁的相互作用、多次转向以及 RR 行为等，与实验结果高度一致，为进一步研究细菌在复杂环境中的长期行为提供了有效手段。
研究结论和讨论
研究人员通过微流控装置模拟土壤环境，研究慢生型大豆根瘤菌的运动行为，发现微限域显著影响其游泳速度和转向策略。两种鞭毛系统在较宽通道中协同作用使野生型菌株速度更快，但在窄通道中这种优势消失。同时，细菌的 RR 行为受通道壁影响，且其改变游泳方向的方式可能是对双鞭毛系统的一种适应。此外，研究还表明，尽管以往认为双鞭毛系统在细菌运动中具有重要作用，但在类似土壤的微限域环境下，其功能和运动机制更为复杂。
这项研究的微流控装置虽然在模拟土壤结构方面取得了进展，但仍存在一定局限性，缺乏真实土壤中的化学、流变学和成分复杂性。未来研究可在此基础上，进一步纳入化学信号、非牛顿流体、有机物质等因素，更真实地模拟自然土壤环境。研究中建立的模型和模拟方法，为预测细菌在更大尺度和更长时间内的行为提供了可能，有助于推动生物肥料的优化和土壤微生物学的发展，对于提高农业生产效率和理解土壤生态系统具有重要意义。
