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在植物生长和形态发生研究中，测量植物样本机械性能面临技术难题和成本挑战。研究人员开发了 Camelot 计算机自动化微拉伸仪，可测弹性、蠕变和屈服应力。该仪器为相关研究提供了低成本、易操作的工具，助力深入探索植物力学。
在植物的奇妙世界里，生长和形态发生是一场受遗传、分子网络和机械力共同操控的 “神秘舞会”。细胞内的膨压像一双无形的手，弹性地拉伸着细胞壁，而在诸如扩张蛋白（expansins）等细胞壁修饰剂的影响下，这种张力又会促使细胞壁通过蠕变（creep）发生扩张。当拉伸应力超过特定的屈服阈值（yield threshold）时，蠕变便会发生，这一切都遵循着 Lockhart 的生长框架。比如，扩张蛋白能促进蠕变却不影响细胞壁弹性，而木葡聚糖内转糖基酶 / 水解酶（xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases，XTHs）等蛋白质也在细胞壁的延展性上发挥着作用。另一方面，细胞壁硬化又会像 “刹车” 一样，限制植物生长，就像细胞分裂素诱导根伸长停止的现象。
然而，想要深入了解这场 “舞会” 中各种因素是如何互动的，测量植物组织在不同尺度下的机械性能就显得至关重要。早期的拉伸仪常使用砝码来测量蠕变，虽然简单又便宜，但对于像拟南芥下胚轴这样的小样本，它缺乏对样本变形的精确控制，难以准确测量其刚度。现代的微拉伸仪虽采用计算机控制的致动器来位移样本并精确测量力，但在测量样本变形时，又常因样本在固定点的滑动、组织拉伸时的对齐偏移等问题，导致测量不准确，尤其是对于小样本而言，这些挑战更为显著。而且，近期用于小生物样本的拉伸仪设置往往依赖昂贵的专业硬件，如压电致动器或高分辨率线性平台，这让资金有限的实验室或小规模探索生物力学的研究人员望而却步。同时，软件方面也困难重重，许多专业设备的控制库是专有的，功能有限，实验装置还常常需要为每个组件配备单独的软件，这使得系统集成和操作变得复杂。
为了攻克这些难题，来自英国约翰英纳斯中心（John Innes Centre）、瑞士洛桑大学（University of Lausanne）、英国东安格利亚大学（University of East Anglia）以及波兰西里西亚大学（University of Silesia）的研究人员携手合作，展开了一项意义重大的研究。他们成功开发出了一种结合低成本光学追踪的计算机自动化微拉伸仪 ——Camelot，相关研究成果发表在《BMC Biology》上。这一成果为植物生物力学研究带来了新的曙光，具有重要的意义，它让科研人员能够更深入地探索植物生长和形态发生背后的力学奥秘，即使在资源有限的环境下，也能开展高精度的研究。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是硬件搭建，Camelot 系统由力传感器、致动器和相机三个主要部件组成。力传感器采用常用于数字秤的平行梁传感器，能精确测量单轴力；致动器使用步进电机驱动的螺旋机构，可实现高精度的位移控制；相机则用于监测样本变形，能与多种显微镜配合使用。其次是软件控制，该系统由 MorphoRobotX 这一集成开源软件环境控制，它可以操控多种致动器、力传感器和相机，实现了系统的自动化和数据的同步采集。最后是实验方法，研究人员通过对不同植物样本，如拟南芥下胚轴、洋葱表皮和拟南芥叶片进行拉伸实验，并结合光学追踪技术，测量样本的弹性、蠕变和屈服应力等机械性能。
下面来详细看看研究结果：
- 系统概述：Camelot 系统的力传感器是一种平行梁传感器，通过定制的 3D 打印支架进行校准，能精准测量小样本受力。致动器使用的步进电机符合 NEMA 11 标准，运动分辨率达 5μm / 步，可满足大多数实验需求。相机与 MorphoRobotX 软件接口集成，能捕获样本变形数据，且兼容多种显微镜相机。整个系统模块化设计，便于与不同光学组件集成，可在共聚焦显微镜下实现同步成像和力学测试。
- 基本设置（配备数字显微镜）：研究人员利用配备数字显微镜的基本 Camelot 装置，测量了野生型（Col-0）和木葡聚糖缺陷突变体（xxt1 xxt2）拟南芥黄化下胚轴的杨氏模量（Young’s modulus）和断裂应力。通过在样本表面标记地标点，结合图像分析计算应变和应力，结果显示两种基因型下胚轴的力学性能存在显著差异，这与之前的研究结果一致，证明了该基本设置能有效测量小样本的力学差异。同时，在蠕变实验中，通过跟踪地标点发现样本蠕变速率随时间下降，而夹具位移速率后期升高，这是由于样本从夹具上滑落导致的。
- 使用 C-mount 显微镜相机的设置：将 Camelot 放置在倒置显微镜上，使用 C-mount 相机以细胞或细胞连接为地标进行变形分析。对洋葱表皮进行纵向和横向拉伸实验，结果表明纵向拉伸的组织比横向更硬，且通过光学追踪测量的应变比仅依靠致动器位移测量更准确，该设置还能在细胞分辨率下捕捉机械失效过程。
- 共聚焦拉伸仪：将 Camelot 与共聚焦显微镜结合，研究拟南芥叶片表皮细胞在拉伸过程中的变形。利用质膜标记线（pUBQ10::acyl-YFP）追踪细胞轮廓，发现细胞在拉伸过程中表现出各向异性变形，符合泊松比（Poisson’s ratio）的概念。
在研究结论和讨论部分，Camelot 系统为中小型生物样本的力学测试提供了一种简单且经济高效的解决方案。它基于开源软件，由常见的消费级组件组装而成，虽然其致动器分辨率不如高端设备，但对于大多数样本测试来说已足够。通过光学追踪样本地标点测量应变的方法，提高了生物力学测量的可靠性。研究人员用该系统在多种植物组织上进行实验，得到了有价值的结果，证明了其在不同实验场景下的实用性。不过，该系统也有可提升的空间，如在特定场景下使用更高端的致动器，开发基于人工智能的自动地标识别功能等，但这些改进可能会增加系统的复杂性和成本。总体而言，Camelot 系统为生物力学研究开辟了新的道路，降低了精确力学测量的门槛，使科研人员能在多尺度上准确量化组织变形，为深入探索生物生长和发育背后的机械力提供了有力的工具，即使在资源有限的环境中也能推动相关研究的发展。
