微流控芯片在植物細胞研究中的應用進展

王偉軒孫靜弈劉偉娜厚凌宇玉王寧何湘?zhèn)ブx響明

（1. 北京林業(yè)大學生物科學與技術學院，北京 100083；2. 華北理工大學理學院，唐山 063009）

微流控芯片在植物細胞研究中的應用進展

王偉軒1，2孫靜弈1劉偉娜1厚凌宇1玉王寧1何湘?zhèn)?謝響明1

（1. 北京林業(yè)大學生物科學與技術學院，北京 100083；2. 華北理工大學理學院，唐山 063009）

植物細胞的傳統(tǒng)分析方法是將植物細胞在土壤或者瓊脂平板上生長，然后在溫室或植物生長室內觀察植物的表型。這種方法耗時耗力，且結果分辨率比較低。微流控芯片具有微型化、體積小和高通量等特點，且可在微米水平精確控制植物細胞生長的微環(huán)境。因此，能夠降低實驗成本，縮短實驗時間，并且可以達到單細胞水平的分析和鑒定。首先介紹了微流控芯片的加工材料和制備方法，總結了用于植物細胞研究的微流控芯片，重點闡述了近年來微流控芯片在植物根、花粉管、原生質體和細胞壁動力學等植物細胞研究中的應用進展，并展望了微流控芯片在植物細胞研究的應用前景。

微流控芯片；聚二甲基硅氧烷；植物細胞；應用進展

隨著生命科學的蓬勃發(fā)展，人們對生命科學的研究已逐步從宏觀深入到微觀，從群體走向了個體，甚至單細胞水平。傳統(tǒng)植物細胞分析方法是將種子或者植物細胞培養(yǎng)在土壤或者瓊脂平板上，然后觀察植物的表型。這些方法簡單、易于操作，但是也有一些弊端。首先，傳統(tǒng)方法成本高、實驗周期長、實驗也很難定量化；其次，植物細胞在固體培養(yǎng)基上生長行為具有無規(guī)律性，以致很難從一個特定的方向觀察植物；另外，傳統(tǒng)研究方法的時間和空間分辨率低，也可能會導致在觀察植物表型改變過程中的信息丟失；最后，植物在固體培養(yǎng)基上無序的生長行為也很難詳細地分析植物的生長情況［1，2］。

近年來，科學技術的發(fā)展給植物細胞的研究注入了新的動力，膜片鉗［3］、激光輔助顯微切割［4］、三維共培養(yǎng)［5］等技術都已經引入到植物細胞的研究中來。微流控芯片技術是一種能精確控制和操控微尺度流體的新穎微機電技術，具有體積小（納升、皮升和飛升級別）、消耗低、裝置小、高密度、大規(guī)模、高通量和多功能等特點［6，7］，與宏觀尺度的實驗裝置相比，這一技術顯著降低了樣品的消耗量，增大了流體的比表面積，提高了反應效率，也降低了實驗成本；同時通過微閥微泵等微細結構的精確控制，微流控芯片使生命科學研究在時間與空間分辨率上也有了很大提高［8］。盡管目前微流控芯片的研究大部分仍然集中在動物細胞［9，10］，但是微流控芯片在植物細胞研究中的應用也已日趨成熟，主要包括植物細胞的表現型研究和化學藥物的刺激性等［11-13］。由于微流控芯片技術具有微米甚至納米級的高分辨率，使得微流控芯片可以模仿植物細胞內的微環(huán)境，這不僅為植物細胞學的研究提供了新的視角和方法，而且具有許多傳統(tǒng)植物細胞研究方法不可比擬的優(yōu)勢。本文概括了用于微流控芯片加工的材料和方法，總結了用于植物細胞研究的微流控芯片，重點介紹了近年來微流控芯片在植物細胞學研究中的應用，并對微流控芯片在植物細胞研究的前景進行了展望。

1 微流控芯片簡介

微流控芯片是一種以在微米尺度空間對流體進行操控為主要特征的科學技術，具有將化學和生物實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米大小芯片上的能力，因此又稱為芯片實驗室。由于它在生物、化學、醫(yī)學等領域的巨大潛力，已經發(fā)展成為一個生物、化學、醫(yī)學、流體、電子、材料及機械等學科交叉的嶄新研究領域［14-16］。1.1 微流控芯片的加工材料

微流控芯片經過10多年的快速發(fā)展，用于微流控芯片的加工材料已經從早期的硅和玻璃發(fā)展到今天的各種高分子聚合物，如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚苯乙烯（polystyrene，PS）、聚苯乙烯二乙醚（polypheylene ether，PPE）等。表1列出了不同材料制備微流控芯片的一些優(yōu)缺點，從表中可以看出，聚合物材料的光學性質好、易于加工且價格低廉，目前已經成為微流控芯片制備的主要材料［17］。其中PDMS又是目前聚合物中用的最多的一種，其具有如下優(yōu)勢：（1）能夠透過250 nm以上的紫外與可見光，透氣，耐用又廉價；（2）有一定的化學惰性，芯片微通道的表面可以進行多種修飾改造，能夠可逆和重復變形而不發(fā)生永久性破壞；（3）能用模塑法高保真的復制微流控芯片，不僅可與自身可逆結合，還能與玻璃、硅、二氧化硅和氧化型多聚物可逆結合。因而PDMS被廣泛應用到了植物微流控芯片的制作中。

表1 三種材料制備微流控芯片的優(yōu)缺點

1.2 微流控芯片的制備

在微流控芯片研究早期，至少有20種不同的方法被用于微流控芯片的制備，主要包括光刻、化學腐蝕、電化學腐蝕、離子束刻蝕、化學氣相沉積、物理氣相沉積和外延等。這些基于硅和玻璃類的微流控芯片制備工藝雖然相對成熟，但微流控芯片的成本卻相對昂貴。近年來PDMS芯片被廣泛應用，其制備過程主要分為兩步：模具的制備和芯片的成型［17-19］。

1.2.1 模具的制備 （1）掩膜的設計與制作：掩膜的設計與制作是芯片制作過程中的關鍵工藝之一，其主要功能是實現對光的選擇性透過和圖形的精確復制。常規(guī)掩膜板的基材一般為熔融石英，這種材料對紫外光具有高的光學透射，而且具有較低的溫度膨脹和低的內部缺陷，通常采用物理鍍膜方法在基材上濺射一層鉻，在鉻層上面需要涂布一層抗反射涂層。（2）曝光：曝光的主要目的是將掩膜上的微結構圖形精確地轉移到光膠層上，使得光刻膠的感光部位發(fā)生光化學反應。以負光刻膠SU-8為例，曝光時，因為光刻膠中的光引發(fā)劑——三苯基硫鹽吸收光子發(fā)生光化學反應，生成一種強酸，在隨后中烘過程中作為催化劑促進熱交聯反應的發(fā)生，形成致密的交聯網絡結構，從而不溶于顯影液中。而未曝光的區(qū)域因為沒有生成強酸，不發(fā)生交聯反應而溶于顯影液中［20］。（3）芯片的刻蝕：刻蝕是利用光刻工藝處理后的光刻膠作為保護層，通過化學或者物理方法將被刻蝕物質除去，從而得到所期望圖形的方法，根據刻蝕劑的狀態(tài)不同，可以將刻蝕工藝分為濕法刻蝕與干法刻蝕。（4）模具的成型：模具成型還需要去膠、去鉻、清洗和干燥等步驟。

1.2.2 PDMS芯片的成型 首先是基片的制作，將PDMS基質與固化物按照質量1∶10的比例進行混合，用一次性勺子順時針攪拌30 min，充分攪拌均勻，為了防止PDMS固化后氣泡進入，通常對PDMS預聚合物脫氣處理15 min左右。將處理好的PDMS預聚物澆注于模具中，控制反應溫度為60℃，固化時間2 h，用手術刀將固化后的混合物沿著模板切割，可得PDMS基片，再用打孔器在PDMS上打孔。其次是蓋片的制作，PDMS蓋片在一培養(yǎng)皿中澆注而成，蓋片按基片的尺寸剪裁、打孔，用作樣品引入口和儲液池。最后將基片和蓋片對合就制成了PDMS芯片。

圖1 PDMS微流控芯片制作示意圖

2 微流控芯片在植物細胞學領域的應用

近年來，微流控芯片已經逐漸引入到植物細胞的研究中，并發(fā)揮著獨特的作用。通過歸納總結，本文將微流控芯片在植物細胞學中的應用主要分為六類：植物根的研究、花粉管的研究、污染物對植物毒性的研究、植物原生質體的研究、細胞壁的生物力學研究和其它研究。

2.1 用于植物細胞研究的微流控芯片

隨著微流控芯片技術的發(fā)展，越來越多的微流控芯片被應用到植物細胞的研究中，表2展示了當前應用于植物細胞學研究中的主要微流控芯片，概括了其在植物細胞學中的應用，并與傳統(tǒng)方法進行了比較。

2.2 植物根的研究

根是植物重要的組成部分，一方面，它的作用是從環(huán)境中吸收水和養(yǎng)分［32，33］，因此根對脫水環(huán)境和物理化學刺激非常敏感；另一方面，根也存在高度的可塑性，能夠采取一定的策略來應對外部環(huán)境變化［34］。研究植物生長的分子機制需要一個體外研究平臺，在研究過程中為了提高實驗結果的高效性，獲取植物表型等相關信息，在這個過程中需要考慮一些重要的參數。例如，生長環(huán)境的穩(wěn)定性、改變環(huán)境條件后實驗的再現性和重復性等。研究根生長的分子機制還需要提供一個細胞水平分辨率的微環(huán)境，并且能夠精確控制植物根生長的環(huán)境條件。傳統(tǒng)的工具——灌流生物反應器［35］和96孔板［36］不具備高通量的特性并且不能精準控制環(huán)境變化。化學探針方法可以精確控制環(huán)境條件，但局限在靜態(tài)的離子分析，并且由于限制了探針的位置，獲取的圖形分辨率低。植物根的微流控芯片（Rootchip）能夠提供一個可控的微環(huán)境來研究根的生理機能，并且具備高通量的特性［37，38］。Grossmann等和Okumoto［38，39］設計了如圖2所示的植物根芯片用來研究植物根的生長情況，首先把擬南芥的種子生長在充滿瓊脂的錐形圓筒內，使根在重力作用下向下生長并通過塑料圓筒，當根生長到接口處時其生長方向從垂直轉變?yōu)樗綘顟B(tài)，然后通過鑲嵌的樹杈型分支結構到達觀察室（觀察室中的根是獨立生長的），最后在芯片內實時觀測根的生長情況。這個系統(tǒng)的獨特之處主要表現在兩個方面：一方面，可以實現培養(yǎng)基的瞬時灌注；另一方面，可以進行無損的代謝物檢測。此芯片還可以用于研究根特定部位的吸收情況，如根毛細胞等。在設計上稍微改變后也可以應用到其他的植物種類。

微流控芯片技術與先進的生物感應器結合后，可以用來實時檢測植物根內自由金屬離子的濃度［40］。為了更好地闡述金屬離子在植物體內的平衡信號，Clara等和Lanquar［41，42］將根微流控芯片和熒光能量共振轉移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）結合用于分析了植物細胞內Zn2+的分布和動力學，其方法是將一系列FRET感應器放到生長在可視根微流控芯片內的植物細胞中，研究發(fā)現細胞質內的Zn2+濃度受外界Zn2+的供應影響且變化在pmol/L-nmol/L這樣很小的范圍內，他們利用此方法也發(fā)現了兩個Zn2+吸收系統(tǒng)。繼根芯片之后，Busch等［22］又發(fā)明了根陣列芯片，根陣列芯片是一種更高效的高通量微流控芯片，在根陣列芯片中可以同時研究64個擬南芥根在時間和空間上的基因表達情況。

表2 微流控芯片在植物細胞學中的應用以及和相比于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢

圖2 根微流控芯片示意圖［43］

植物的根與外部環(huán)境存在相互作用，要研究植物內部細胞如何應對外部的信號需要較高的時空分辨率，然而傳統(tǒng)分析方法的空間分辨率僅局限于毫米水平［44］。另外，在根生長過程中根周圍的固體培養(yǎng)基化學成分不能維持穩(wěn)定且不能精確量化。微流控技術可以通過對正在延長根的特定位點給予不同化學處理，如氮、磷、鹽和其他植物激素等，從而幫助我們更好地理解根的發(fā)育機制。此后，Meier等［45］又設計了用于特定位點處理的微流控芯片，如圖3所示，中間刺激物的流體直徑在5-90 μm范圍內可變。把生長中的擬南芥根放在微流控芯片內，只有特定的部位暴露于化學刺激中。通過改變3個層流溶液的組成和流速，能夠運輸不同的化學刺激并且準確控制根刺激部位的大小，從而提供高的空間分辨率。并且與傳統(tǒng)的固體培養(yǎng)基方法相比，隨著根的生長，根的刺激物濃度不會隨著時間而發(fā)生改變。為了檢驗層流微流控芯片的效果，作者還將植物激素的衍生物2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）和它的抑制物N-1-萘基酞氨酸（NPA）流經設定的擬南芥根部位，然后檢測植物激素流經部位的綠色熒光蛋白表達水平。實驗證明2，4-D提高了根形態(tài)的改變，如根毛的生長。這進一步說明了微流控芯片能夠在植物的特點位點給予相應的刺激，具有較高的時空分辨率。

圖3 生長中的擬南芥根周圍的層流［45］

2.3 花粉管的研究

植物的頂端生長細胞能保持旺盛的分裂能力，是植物生長的重要原因。花粉管是一個快速生長的頂端生長植物細胞［46］，它在開花植物的生命循環(huán)中起著重要的作用。它同時也是對化學信號非常敏感的植物細胞模型，可以通過改變生長速度和延長方向來應對外界的刺激［47，48］。現在普遍認為花粉管的生長活動由它的頂端控制，通過調控細胞內的運輸和信號機制來維持它的極性生長［49-52］。花粉管生長在自然環(huán)境和類似的環(huán)境總呈現出對稱生長（圖4-B），當花粉管暴露在不對稱的刺激物時，刺激物可打破它的對稱生長（圖4-C）。這些刺激可能是胚珠通過產生電信號或者化學信號用來吸引或者排斥花粉管［31，53］。人們一直對改變花粉管生長方向的物質以及外部化學信號調控細胞內的生長機制很感興趣。Arata等［27］設計出了一個T型的微流控芯片（圖4-D），擬南芥的花粉管在中間約500 μm的微流控通道內生長，在通道左下角的小室內放置未受精的胚珠，右下角的小室內進行空白對照，結果顯示由于胚珠分泌了某種化學物質，擬南芥的花粉管向著未受精的胚珠方向不對稱生長。同傳統(tǒng)固體培養(yǎng)基上花粉管成輻射狀生長相比，由于芯片通道的限制，花粉管只能向左或向右生長，因此能更直觀地對花粉管的生長方向進行觀察和檢測。

雖然上面的實驗能直觀地證明引起花粉管不對稱生長的物質是來自胚珠的，然而這種誘導物質的精準濃度是很難檢測的。為了進一步研究花粉管生長方向的機制，我們需要明確誘導物的組成以及精確控制它的濃度。由于微流控通道內流體的雷諾數很小（Re<1），微通道內的流體僅能夠通過分子擴散混合，因此微流控芯片可以提供穩(wěn)定的層流［54］。通過調節(jié)流速和擴散系數，兩條液體流之間的界面能夠被調整到不同的細胞生長區(qū)域并提供準確的濃度。Agudelo等［23］就用此微流控芯片定量研究了Ca2+對花粉管的影響。

圖4 花粉管在瓊脂和微流控芯片內的生長實驗［27］

2.4 污染物對植物毒性的研究

過去的幾十年中，人們已經逐漸意識到研究環(huán)境污染物和有毒物質對植物的影響意義重大，然而精準判斷具體污染物種類卻依然是一個難題。一方面，不同種類的植物對同一污染物存在不同的半最大濃度效應（EC50）；另一方面，植物通常生長在不同的混合污染物中，鑒定出具體某一種污染物對植物的影響依然是一個挑戰(zhàn)。要解決這個難題在實驗技術上需要大量獨立實驗和相當大體積的毒性試劑，因此，建立以環(huán)境污染物對植物影響為基礎的高通量平臺具有很廣泛的前景。微流控芯片技術具備快速穩(wěn)定改變培養(yǎng)基成分的能力和高通量的潛能，并且已經應用到了藥物研發(fā)和細胞研究當中。

通過在微流控芯片內改變培養(yǎng)基成分，研究有毒物質對植物細胞和一些植物微小器官的影響已經在微流控芯片中得到驗證。小球藻是大氣中氧氣的主要生產者之一，對生態(tài)系統(tǒng)非常重要。除藻劑和含重金屬的化學物質等污染物能夠改變藻類的數量，從而影響生態(tài)系統(tǒng)中氧氣的供應量。為了檢測有毒成分對小球藻的影響，Küersten等［55］把小球藻培養(yǎng)在了微流控芯片中，并通過350個流體分段做了除藻劑中CuCl2對藻類影響的劑量依賴型分析，通過微流控系統(tǒng)中的光度計測出CuCl2對小球藻的半最大濃度效應（EC50）。這種方法測得結果與通過微量滴定板獲得的數據是一致的。

植物的根和花粉管是植物最敏感的部分，通常用于檢測環(huán)境中污染物和不同污染物對植物的發(fā)育能力。微流控芯片能成功檢測出在改變根生長微環(huán)境情況下根的生長情況［22，37］。同時，花粉管實驗也證明對花粉管有毒性的材料對動物也存在毒性。這暗示研究有毒物質對花粉管的影響在研究有毒物質對人類影響的過程中具有潛在意義［56］。

2.5 植物原生質體的研究

原生質體由于去除了細胞壁，可以攝入細胞器、微粒體、病毒及一些大分子物質（如DNA等），這種攝入能力，有助于我們廣泛研究遺傳物質的導入和表達，而且也易于轉化體和重組體在可控制的條件下的準確的操作及分析。因此，原生質體已經作為進行植物基因重組、離體基因遺傳轉化等操作較為理想的實驗體系，成為分子水平和細胞水平上研究遺傳信息動態(tài)的結合點，同時是研究植物生長調節(jié)、代謝及其它植物生理過程的有力材料。植物原生質體培養(yǎng)是指將分離純化干凈的植物原生質體接種于培養(yǎng)基中，在一定溫度及光照等條件下，使原生質體重新形成細胞壁，并不斷進行分裂生長，形成肉眼可見的細胞團或再生出植株的培養(yǎng)過程。原生質體再生不但是細胞融合的基本條件，也是基因導入、突變體篩選的前提。

微流控芯片也逐漸應用到植物細胞原生質體的培養(yǎng)和細胞融合等細胞生物學研究領域。與傳統(tǒng)的組織培養(yǎng)相比，微流控芯片內培養(yǎng)植物原生質體具有很多優(yōu)勢。首先，傳統(tǒng)植物細胞的培養(yǎng)需要消耗大量的培養(yǎng)基和較大的細胞儲存空間，而微流控芯片技術能夠精準控制培養(yǎng)基的流動且需要較少的細胞數量，使細胞和細胞因子維持在一個可控的水平［57，58］；其次，微流控芯片與分析裝置結合后能夠更好地觀察和闡釋某些細胞生物學過程［59，60］。Ju等［61］利用微流控芯片成功地培養(yǎng)了煙草的原生質體。武恒（Wu）等［29］設計了如圖5所示的一個由5個五邊形微室結構組成的微流控芯片，在這個芯片上進行煙草葉肉原生質體及小白菜無菌苗原生質體的培養(yǎng)，實驗顯示，在芯片內培養(yǎng)的煙草葉肉原生質體，無論在啟動分裂還是形成細胞團，都要比傳統(tǒng)培養(yǎng)方法下生長的速度要快近一天左右。同時在這個芯片上也實現了培養(yǎng)基的最優(yōu)化和原生質體生長動力學的實時觀測，而且化學介導的煙草葉肉細胞原生質體融合也得到實現。

圖5 原生質體微流控芯片的結構與功能［29］

在植物中，不同物種之間的原生質體融合能夠更好地研究基因修飾和植物育種。融合首先是在兩個植物細胞的原生質體上產生兩個小孔，然后在表面張力的作用下融合成一個細胞。在體外眾多的細胞融合技術當中，因為電融合有一個安全的融合過程，已經被廣泛應用到各種類型的細胞融合中［62］。傳統(tǒng)的電融合由于缺少操縱單個細胞的控制系統(tǒng)，所以需要大量的細胞。而集成的微流控芯片能夠可控的在單細胞水平進行電融合操作，因此需要的細胞大大減少，已經成功應用到5種不同的植物物種的細胞電融合中，包括擬南芥、煙草、濱海前胡、珊瑚菜和油菜［30］。

2.6 細胞壁的生物力學研究

細胞壁是植物細胞外一層主要由多糖組成的結構，對植物的發(fā)育和生長非常重要。研究模式植物細胞的生長需要定量研究細胞壁的機械性質。由于單個細胞尺寸微小，直接測量細胞壁的機械學特性目前仍然是一種挑戰(zhàn)［45］。傳統(tǒng)的方法是通過拉力實驗和壓力探針法進行檢測［63-65］，這些方法對細胞具有侵襲性并且是在假定細胞壁機械性能分布一致下測得的。然而細胞膜最脆弱的部分可能會控制整體的細胞行為，所以這些方法是間接且不穩(wěn)定的測量方法。隨著顯微壓痕和電子力學顯微鏡在植物細胞研究領域的應用，使得在亞細胞分辨率水平鑒定細胞壁的機械性質取得成功［66］。然而，這種方法是基于測量材料的等向性和均勻性的假設，采用的是特定位點的壓縮和滲透，繼而測得楊氏橫量。因此這些方法也不能很好說明整個細胞壁的拉伸性能等重要特性。在測量細胞壁拉伸強度過程中，個體微小的細胞需要承受拉伸和彎曲這樣技術上的挑戰(zhàn)［67］。

圖6 Bending-Lab-On-a-chip［68］

最近，Nezhad等［68］設計了一個叫做Bending-Lab-On-a-chip（BLOC）（圖6）的微流控芯片并且應用到植物細胞的彎曲實驗中，測量了細胞壁的楊氏橫量。他們首先將花粉粒的懸浮液放入芯片中，使花粉管沿著微小的生長通道延長，當花粉管長到底部的時候就暴露在彎曲的負載中，然后通過測量花粉管的偏離情況，再利用一個數學模型就可以進行計算，從而獲得細胞壁的楊氏橫量。通過這種方法測量的結果和通過壓力探針等方法測得是一致的，但是這個技術直接地測量了細胞壁的彈性系數，能夠更全方位地測量細胞壁機械性能且特定位點細胞壁的機械性能是各向異性的，因此在測量細胞壁整體的機械性能上具有優(yōu)勢。

2.7 植物細胞學領域的其他應用

微流控芯片在植物細胞學領域的應用是廣泛的，除了上述的應用外，也應用到了其他的植物細胞生物學的研究當中。例如，用微流控芯片研究植物細胞是否存在方向記憶性［28］，其方法是將花粉管培育在一個螺旋狀的微流控通道內，研究發(fā)現只有當花粉管觸碰到微流控通道內壁時才會改變其生長方向，這意味著如果沒有微通道內壁花粉管會沿著原來的方向持續(xù)生長。當花粉管生長到螺旋外暴漏在一個寬敞空間的時候，花粉管將保持它原來的生長方向不變并且和最初花粉粒萌發(fā)的方向無關，此“方向記憶”芯片能夠提供亞細胞水平的微環(huán)境，而傳統(tǒng)的方法不具備這樣的能力。微流控芯片也應用到了植物根和芽的表型［69］、檢測植物細胞缺陷的研究［70］、植物和細菌的相互作用［71］等研究中。但是微流控芯片在植物細胞學中的應用遠不止于此，隨著研究的深入和科學的發(fā)展，微流控芯片技術一定能發(fā)揮更大的作用。

3 展望

微流控芯片在植物細胞學的研究中顯著地提高了實驗的效率和結果分辨率，在特定位點處理植物細胞、植物細胞壁動力學研究、植物原生質體的培養(yǎng)和融合讓我們更深一步地理解了一些生物學問題。雖然相對于傳統(tǒng)的研究手段已經取得了很大進步，但是在植物細胞學的研究當中依然存在著許多問題亟待我們去解決。例如：（1）根的共區(qū)域化研究、突變體的篩選、自然環(huán)境下的變異和應用不同的細胞壁染料高通量研究植物的生長特點；（2）在藥物或者毒性的條件下定量研究植物細胞壁的機械性質；（3）植物細胞的入侵生活方式等。這些挑戰(zhàn)還需要利用一些更有效的方法來研究。

盡管近幾年微流控芯片技術已經越來越多地應用到了植物細胞學的研究當中，但與芯片在動物細胞中的研究相比仍然具有很大的差距，因此微流控芯片在植物細胞學中的應用還有很大的發(fā)展空間，這就需要我們研究出一些更新的微流控平臺。總之作為一種高度集成化、微型化以及智能化的生化分析平臺，微流控芯片將對人類的生活產生極其廣泛、深遠的影響，甚至可能會給生命科學領域和生化分析領域帶來一場革命。

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（責任編輯 狄艷紅）

The Application Progress of Microfluidic Chips in Studying Plant Cells

WANG Wei-xuan1，2SUN Jing-yi1LIU Wei-na1HOU Ling-yu1YU Wang-ning1HE Xiang-wei1XIE Xiang-ming1
（College of Biological Sciences and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083；2. College of Science，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009）

Conventional methods of studying plant cells rely on growing plant cells in soil pots or agarose plates，followed by screening the plant phenotypes in traditional greenhouses and growth chambers. These methods usually need a large number of experiments，and suffer from low spatial resolution. While the microfluidic chips have many advantages，such as miniaturization，small volume consumption and high-throughput analysis，etc，moreover，it allows to precisely control the micro-environment of plant cells at micron-level. Therefore，it can reduce the cost and experimental time，and achieve in vitro single cell analysis and characterization. In this paper，the materials and manufacturing methods of the microfluidic chip were firstly introduced，then the recent microfluidic chips for studying plant cells were summarized，further mainly the application progress of microfluidic chips in plant root，pollen tube，protoplasts，and cell wall biomechanics were expounded，and finally the future research directions of microfluidic chips for plant cell were prospected.

microfluidic chips；polydimethylsiloxane（PDMS）；plant cell；application progress

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.06.005

2015-08-24

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助（BLX2013027），國家自然科學基金青年科學基金項目（31400085），北京林業(yè)大學“北京市大學生科學研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃”項目（201510022027）

王偉軒，男，碩士研究生，研究方向：微流控芯片；E-mail：18610524297@163.com

何湘?zhèn)ィ校苯淌冢芯糠较颍何⒘骺匦酒籈-mail：hexiangwei@bjfu.edu.cn；謝響明，男，教授，研究方向：資源與環(huán)境微生物；E-mail：xxm1005@126.com