随着科学技术的发展,科学家们对植物学的研究越来越深入。不论从用于改良粮食作物的植物育种到改造植物遗传信息的转基因技术,还是从不同物种的杂交到细胞层面的遗传物质融合,都体现着植物研究在实验方法及实验内容上的进步。然而,在植物学不断发展的当下,植物杂交育种、根系表型获取、基因表达分析等传统研究方法面临着发展瓶颈,不能够满足植物学日益发展的需要。微流控技术作为微纳新兴领域的代表性技术,由于其分辨率高、便于实时无创观测等特点在近几年引起了植物学家们的关注。尽管微流控技术在植物学领域的研究起步较晚,但已经有相当一部分微流控设备应用在原生质体融合、花粉管诱导、胚珠培养、植物萌发及幼苗生长等方面。因此,在植物细胞学的研究领域,微流控芯片提供了非同寻常的视角和方法。本研究以经济作物烟草作为实验对象,基于微流控芯片技术设计了不同的PDMS（Polydimethylsiloxane）玻璃芯片,对烟草根系的发育生长,特别是微观结构的变化展开了研究。首先设计了可折叠阵列芯片,用来连续观察和比较烟草种子萌发以及后续的幼苗发育,改进了传统植物学研究的实验方法。同时微通道可以满足不同液体的更换,实现植物生长环境的多元化。利用PDMS良好的光学性能实现烟草根系的原位无损实时微观观测。然后,制备了一种十六宫格迷宫芯片用于研究烟草植物根系在面对不同的化学刺激诱导时的自身行为表现。将根系的趋向性行为进行可视化展示。为植物研究提供了一种新的视角,拓展了植物研究的内容。最后,设计了水平微结构芯片,通过模拟不同土壤微结构,来表现植物根系在特定物理结构下的行为,成功的将植物在土壤中的表现进行了直观的展示,同时探索了植物在不同物理障碍下的行为。为传统植物学的研究提供新的方法。具体研究内容如下:1.构建可折叠高通量阵列芯片用于烟草植物的萌发及根系生长种子萌发和幼苗根系生长是植物发育的两个重要指标。萌发研究侧重于检查幼苗的成活情况,用于植物表型和种子质量的评估,以确定种子的活性及植物的生长力。根系研究主要检查幼苗生长的状况,通过观察其一系列的表型及生理数据,达到对整个植物生长状况的评估。种子萌发和幼苗根系发育是植物发育的不同阶段,在传统植物学实验中往往需要两种不同的实验设计,分开进行每一个实验的表征。但是植物自然生长下种子萌发自然伴随着根和茎的发育,最终形成一个完整的植物,所以对植物从种子萌发到根系发育的整个过程进行原位连续观察是很有意义的。因此本研究提出了一种可折叠的微流控阵列芯片,用于连续监测烟草种子萌发和幼苗发育。在折叠状态下芯片形成一个紧密均匀排列的阵列平台,便于高通量比较种子萌发和植物发育特征。展开阵列有助于精确检查根在生长室内发育情况。同时,通过进/出液口更换芯片内部的微液体,可以实现不同生长环境的构建,从而从不同的环境条件下检测植物的生长情况。另外基于与玻璃键合的PDMS芯片具有出色的光学透明度,植物的根毛、分生区等结构在不经过切片、制样、染色的情况下可以原位在显微镜下无损观察。因此,通过微流控芯片栽培植物为植物研究提供了一种新的分析工具,克服了常规研究方法的不足,适用于萌发检测、刺激筛选和根系发育实验在内的多种植物实验。2.构建十六宫格迷宫芯片用于研究植物根系在化学诱导下的行为在整个植物生命体中,根系是其最重要的植物器官之一。从种子萌发到植株死亡的整个过程根系都参与其中。在自然环境下生长的植物体,会时刻遭受着来自外界环境的干扰。由于植物体驻扎在土壤中生存,植物根系会在整个生命周期中不断遭受土壤中各种物理化学环境的刺激。在越来越多的研究中发现由于根系具有从环境中吸收水分和各种营养成分的功能,植物会对干旱环境和有害的化学刺激非常敏感。但是,这种传统的研究方法只是在平板或者土壤中,根系的具体行为及过程我们无法得知。基于此本研究设计了一种十六宫格迷宫芯片,用于研究植物根系在复杂的微结构中面对不同的化学刺激时的自身行为。首先通过调控芯片琼脂浓度、储液柱的位置、储液柱液面高度、压力等条件来控制微环境浓度,使芯片内产生稳定的局部微环境。然后通过十六宫格迷宫芯片分别研究了盐度胁迫逆境条件与营养梯度环境下,烟草根系在迷宫中的行为。经过根系分析系统的分析,发现同其他高等生物一样,在复杂的迷宫微环境下根系表现出了良好的趋利避害特点,其能够主动的感知外部不同化学刺激从而改变其生长状态和方向,来维持其最佳的生长模式。最后对芯片内根系的生长参数进行了提取与分析,发现营养吸引实验条件下的植物比正常实验条件下的根长更长,正常情况实验条件下植物比盐度胁迫下的根长更长。这与现实农业生长的情况是吻合的,更加证明十六宫格迷宫芯片在化学诱导下观测根系的生长行为是成功的。3.构建微结构水平芯片用于研究植物根系在物理障碍下的行为植物根系在生长过程中必须感知和响应各种外部环境的刺激,比如重力、触觉、营养和水分等,以保持自身最佳的生长方式。因为它们利用根尖不断的探索土壤中各种微结构变化。在大多数自然情况下,根的生长将通过重力作用向下直立生长,直到遇到一个障碍物,如岩石、土壤颗粒、或更加坚硬的土壤层。在这一点上,植物根系必须重新改变其生长方向和模式,通过穿透或绕过障碍等方式来继续向有利于自己生长的方向生长。但是植物通常是在复杂的土壤微结构下生长,平板培养下的植物又不具备复杂微结构的条件。因此植物根系在面对不同的物理障碍是如何表现的,是如何在复杂的环境中随机应变,产生自己的适应性行为无从得知。本研究设计一种微结构芯片,内含有三种不同的微结构来表现植物根系在特定结构下的行为,打破传统方法下平板培养无二维结构的弊端,克服土壤状况下无法观察根系行为的困难。用微结构验证了植物的记忆性、可塑性、以及躲避性。发现植物根系并没有菌丝、根毛一样的由内源性介导的记忆性。但是具有面对不同环境趋利避害的趋向性、遇到比较坚固的障碍会优先以更加轻松的方式去寻找空间而不是直接穿透它的躲避性、依照现有环境条件去选择生长的可塑性。以另外一种方式和视角展示植物在土壤中的表现,为传统植物学的研究提供新的方法。