FytoScope LED光源植物培養(yǎng)箱——真正的科研級(jí)培養(yǎng)箱

一、FytoScope LED光源植物培養(yǎng)箱與傳統(tǒng)植物培養(yǎng)箱的區(qū)別和優(yōu)點(diǎn)

植物培養(yǎng)箱是生物實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器之一。以前的研究中，只要求培養(yǎng)箱能夠使種子萌發(fā)、基本滿足植物的生長(zhǎng)即可。但在真正嚴(yán)格的植物生理生態(tài)研究中，傳統(tǒng)培養(yǎng)箱是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求的。而FytoScope LED光源植物培養(yǎng)箱是由植物生理科學(xué)家直接參與設(shè)計(jì)的，才是真正用于科研實(shí)驗(yàn)的植物培養(yǎng)箱。

1.光源

*，光是植物生長(zhǎng)中zui重要的環(huán)境因子之一，它不僅為植物光合作用提供輻射能，還為植物提供信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)其發(fā)育過(guò)程。植物在它的整個(gè)生命周期中始終處于一個(gè)不斷變化的光環(huán)境中，在長(zhǎng)期的進(jìn)化中，植物不僅適應(yīng)了光環(huán)境的變化，而且還能相互影響而改變周?chē)墓猸h(huán)境。因此，培養(yǎng)箱光源就是決定其品質(zhì)zui重要的部分。

1）光質(zhì)

到達(dá)地面的太陽(yáng)光波長(zhǎng)大約從300～2600nm，其中對(duì)光合作用的有效波長(zhǎng)在400～700nm之間，其中425～490nm的藍(lán)光以及610～700nm的紅光對(duì)光合作用貢獻(xiàn)率zui大，而520～610nm(綠色)的光線被植物吸收的比率很低（閆新房，2009）。

圖1. FytoScope LED光源的單色光光譜

LED(1ight—emitting diodes)，即發(fā)光二極管的一大特點(diǎn)就是可以發(fā)射出純度*的單色光（圖1）。因此從LED誕生之初，紅光和白光LED就被用于植物培養(yǎng)。

圖2.不同光源光譜圖，上左：太陽(yáng)光；上中：白熾燈；上右：熒光燈（日光燈）；下左：鹵光燈；下中：冷白光LED；下右：暖白光LED

但在很多研究中，科學(xué)家希望盡量模擬自然太陽(yáng)光來(lái)培養(yǎng)植物。由圖2中可以看到白熾燈和熒光燈雖然發(fā)出的都是白光，實(shí)際上其光譜都與太陽(yáng)光譜有很大差異。與太陽(yáng)光譜zui為類似的就是鹵光燈和白光LED。但是，鹵光燈由于有相當(dāng)一部分能量都用于發(fā)射植物不能利用的750-2600nm波段近紅外輻射。美國(guó)GE公司的資料指出這部分能量占到總輻射能量的76%。同時(shí)，近紅外輻射又會(huì)有*的光輻射增溫效應(yīng)，長(zhǎng)時(shí)間照射會(huì)對(duì)培養(yǎng)的植物造成損傷。而LED光源的一大優(yōu)點(diǎn)就是發(fā)熱量極少。這從圖2的光譜圖中也可以看到白光LED的近紅外輻射是極低的。

圖3.光敏色素與激素的交互作用（Jaillais, 2010）

光除了給植物提供能量，還會(huì)直接通過(guò)光敏色素和隱花色素來(lái)調(diào)節(jié)植物的多種生理反應(yīng)（圖3）。光敏色素有兩個(gè)互變異構(gòu)體——紅光光敏色素(Pr)和遠(yuǎn)紅光光敏色素(Pfr)。Pr吸收波長(zhǎng)為660 Bin左右的紅光，Pfr吸收波長(zhǎng)為730nm左右的遠(yuǎn)紅光。光敏色素調(diào)節(jié)多種不同植物對(duì)光的反應(yīng)，包括光周期，種子萌發(fā)、展葉、下胚軸伸長(zhǎng)和脫黃化。隱花色素則吸收藍(lán)光和紫外光范圍的光波。

因此FytoScope在白光LED和紅藍(lán)LED以外，還配備了遠(yuǎn)紅光光源。除了為植物生長(zhǎng)提供*的光質(zhì)，同時(shí)滿足植物光形態(tài)建成的需要。另外，FytoScope可以提供綠光LED與紅藍(lán)LED組成三原色光源系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整三原色的比例，能夠發(fā)出可見(jiàn)光譜中任意一種顏色的光，用于不同光質(zhì)對(duì)植物影響的研究。FytoScope也可以定制其他顏色的單色光。

2）光強(qiáng)

白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24lm/W，熒光燈50-70lm/W，鈉燈90-140lm/W，大部分的耗電變成熱量損耗。而理論上LED發(fā)光源光效可達(dá)到300lm/W。

FytoScope LED光源植物培養(yǎng)箱可以在30-50cm的距離上實(shí)現(xiàn)zui大2000µmol(photons)/m².s的光強(qiáng)，滿足從藻類、擬南芥到小麥、玉米、水稻等高耐光植物的培養(yǎng)需求，并能夠進(jìn)行各種高光/低光脅迫實(shí)驗(yàn)。

3）光源與溫濕度的調(diào)控

傳統(tǒng)光源中，熒光燈不能調(diào)控光強(qiáng)，只能通過(guò)增加或減少燈管數(shù)量來(lái)粗略控制光強(qiáng)，并不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。白熾燈、鹵鎢燈雖然可以調(diào)節(jié)光強(qiáng)，但是由于光譜、光輻射升溫等原因，并不是很適用于植物培養(yǎng)。

FytoScope可以分別控制每種單色光的光強(qiáng)、光照時(shí)間，并可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，模擬晝夜周期變化、日升日落等自然界中光環(huán)境變化，以及其他各種任意變化。同時(shí)溫濕度也可以隨著光強(qiáng)同步變化，模擬晝夜周期中氣溫的變化（圖4）。

圖4. FytoScope軟件中編制的晝夜周期，并模擬日升日落

4）LED光源的其他優(yōu)點(diǎn)

①使用電源電壓較低，供電電壓僅為6—24 V，比使用高壓電源更安全；

②節(jié)能，耗電量?jī)H為白熾燈的八分之一，熒光燈的二分之一；

③可以在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)出脈沖光，響應(yīng)時(shí)間快；

④體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強(qiáng)；

⑤無(wú)污染，作為全固體發(fā)光體，不含金屬汞、耐沖擊、不易破碎、廢棄物可回收，

是一種綠色照明產(chǎn)品；

⑥壽命長(zhǎng)，可達(dá)50 000小時(shí)以上，是普通照明燈具的幾十倍。

2.培養(yǎng)氣體成分控制

傳統(tǒng)培養(yǎng)箱只能給植物提供自然環(huán)境中的空氣。但對(duì)于很多研究溫室效應(yīng)或者其他氣體對(duì)植物影響的科學(xué)家，他們需要控制培養(yǎng)植物的氣體組分。FytoScope配備了GMS150高精度氣體混合系統(tǒng)，可控制zui多4種生長(zhǎng)箱中的氣體濃度。標(biāo)配版可控制空氣/氮?dú)夂?/span>CO₂，也可以根據(jù)用戶需要配置其他氣體的控制功能。系統(tǒng)中內(nèi)置高精度質(zhì)量流量計(jì)，調(diào)控精度高于±2%，穩(wěn)定性高于±0.1%。在研究溫室效應(yīng)時(shí)，可以將CO₂濃度控制到ppm級(jí)。

圖5. 配備GMS150高精度氣體混合系統(tǒng)的FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)

    傳統(tǒng)培養(yǎng)箱只能對(duì)植物進(jìn)行一般性培養(yǎng)，并不能在培養(yǎng)過(guò)程中自動(dòng)獲得植物生長(zhǎng)相關(guān)的生理生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還需要研究人員將植物取出手動(dòng)測(cè)量。不但耗費(fèi)人力，而且還會(huì)對(duì)植物的培養(yǎng)過(guò)程造成干擾。

FytoScope配備了MP100葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測(cè)儀。MP100內(nèi)置有目前上熒光研究的幾乎所用測(cè)量程序，包括Ft、QY、OJIP、NPQ、光響應(yīng)曲線。可以用于光合活性研究、自然環(huán)境條件下植物光合能力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、植物脅迫檢測(cè)、除草劑測(cè)試、人工或野外條件下的植物生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)等。

研究者可以通過(guò)FytoScope設(shè)計(jì)不同的晝夜周期、光質(zhì)/光強(qiáng)變化、高溫/低溫脅迫、氣體組分等實(shí)驗(yàn)，再通過(guò)MP100實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物熒光生理指標(biāo)，進(jìn)而完成一個(gè)完整的植物生理實(shí)驗(yàn)。這使得FytoScope單獨(dú)完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，成為真正的科研儀器，而不同于傳統(tǒng)培養(yǎng)箱僅僅是培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)材料的工具。

圖6. FytoScope配備的MP100葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測(cè)儀

二、FytoScope LED光源植物培養(yǎng)箱技術(shù)參數(shù)

FytoScope配備有多種尺寸型號(hào)，滿足不同用戶的需求。其內(nèi)部容積如下：

• FS 130：124L
• FS 360：290L
• Reach-In FytoScope：1600L
• Step-In FytoScope：3400L/4400L
• Walk-In FytoScope：超大型版，尺寸可定制，可與PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)組合成為更先進(jìn)的研究分析系統(tǒng)。

圖7.上左：FS 130；上中：FS 360；上右：Reach-In FytoScop；下左；Step-In FytoScope；下右：與PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)組成聯(lián)合系統(tǒng)的Walk-In FytoScope

其他技術(shù)參數(shù)（以FS130為例）

• LED光源（兩種標(biāo)準(zhǔn)光模塊，可定制其他光源）：

1.WIR 光源（白+遠(yuǎn)紅光 LEDs；冷白光或暖白光），共112顆LED

• 0-1500µmol(photons)/m².s
• 0-500µmol(photons)/m².s
• 2000µmol(photons)/m².s（冷白光）1000µmol(photons)/m².s（暖白光）（距光源30cm處測(cè)量）
• 光源（紅光+綠光+藍(lán)光+遠(yuǎn)紅光LEDs），共336顆LED
  • 0-1500µmol(photons)/m².s，
  • 627nm：500µmol(photons)/m².s
  • 530nm：500µmol(photons)/m².s
  • 470nm：500µmol(photons)/m².s
  • 2000µmol(photons)/m².s（距光源30cm處測(cè)量）

• 環(huán)境條件自動(dòng)控制：控制光照模式、光照強(qiáng)度、溫度和時(shí)間
• 溫度控制范圍：+15℃至+50℃（zui大光照），+7℃至+50℃（無(wú)光照）
• 溫控升級(jí)（可選，不可同時(shí)選光源升級(jí)）：+7℃至+55℃（zui大光照），可定制更大的溫控范圍
• 相對(duì)濕度調(diào)控范圍（可選）：40%~80%
• 葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)模塊（可選）：可自動(dòng)監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒鈪?shù)Ft、QY
• 高精度氣體混合系統(tǒng)（可選）：可控制zui多4種生長(zhǎng)箱中的氣體濃度，標(biāo)配版可控制空氣/氮?dú)夂?/span>CO₂
• 用戶自定義編程控制（可選）：用戶可自定義光強(qiáng)及持續(xù)時(shí)間，設(shè)置多達(dá)224種光照的階段性變化，進(jìn)行晝夜周期模擬

三、FytoScope LED光源植物培養(yǎng)箱應(yīng)用案例

1.植物對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制

Duarte使用FytoScope模擬晝夜變化研究了C3植物Halimione portulacoides 和C4植物海岸米草Spartina maritima在不同溶解CO₂條件下的生理變化，探討鹽沼植物對(duì)氣候變化的響應(yīng)。一方面FytoScope可以調(diào)控溫度、光照及晝夜變化；另一方面FytoScope也能夠控制CO₂濃度（Duarte，2014）。

圖8. 不同CO₂和光照條件下兩種植物氧氣的生產(chǎn)和消耗

Duarte使用溶解氧測(cè)量?jī)x（RF-O2熒光光纖氧氣測(cè)量技術(shù)）測(cè)量?jī)煞N植物在不同CO₂和光照條件下的放氧速率（圖8）；同時(shí)通過(guò)FytoScope中的葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)儀來(lái)測(cè)量OJIP曲線、Fv、QY、ABS/CS、TR0/CS、ET0/CS等十余項(xiàng)熒光參數(shù)來(lái)分析對(duì)光合系統(tǒng)的影響（圖9）。

圖9.兩種植物在不同CO₂條件下的OJIP動(dòng)力學(xué)曲線

zui后，Duarte認(rèn)為鹽沼會(huì)通過(guò)水體的氧化作用與吸收過(guò)量CO₂的酸化緩沖作用，在氣候變化的補(bǔ)償效應(yīng)中扮演重要的角色。

2.重金屬脅迫

Santos則使用FytoScope來(lái)研究Zn在燈心草屬模式種Juncus acutus中的超積累（Santos，2014）。通過(guò)設(shè)置一系列不同濃度的Zn脅迫梯度來(lái)培養(yǎng)J. acutus，測(cè)量發(fā)芽率、干重等生長(zhǎng)指標(biāo)（圖10）。又用FP100葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量?jī)x來(lái)分析Zn對(duì)其光合系統(tǒng)的損傷（圖11）。

圖10. J. acutus在不同濃度Zn中的發(fā)芽情況

圖11. J. acutus在不同濃度Zn中的OJIP動(dòng)力學(xué)曲線

Santoszui終的結(jié)論是表現(xiàn)出了J. acutus對(duì)高濃度Zn的高耐受性，同時(shí)能夠抵御Zn對(duì)葉綠體膜造成的過(guò)量氧化物積累的傷害。因此，J. acutus可以用于對(duì)陸地和水體的重金屬污染生態(tài)修復(fù)。

3.高光脅迫

Domingues研究了硅藻Phaeodactylum tricornutum對(duì)高光照造成的光氧化脅迫的響應(yīng)機(jī)制（Domingues，2012）。發(fā)現(xiàn)將低光適應(yīng)（40µmol(photons)/m².s）后的硅藻進(jìn)行高光（1250µmol(photons)/m².s）照射，會(huì)產(chǎn)生非光化學(xué)淬滅（NPQ）的快速響應(yīng)（圖12）。而且高光照對(duì)zui大量子產(chǎn)額（Fv/Fm）造成了和林可霉素相同的效果，即活性PSII反應(yīng)中心的顯著減少。

圖12. P. tricornutum NPQ和Fv/Fm的變化

Domingues認(rèn)為P. tricornutum在高光下會(huì)將總蛋白更多的分配給光抑制靶蛋白D1，并激活D1修復(fù)循環(huán)來(lái)限制光抑制。

參考文獻(xiàn)：

1. 閆新房等，2009，LED光源在植物組織培養(yǎng)中的應(yīng)用，中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，12：42-45
2. Jaillais Y, et. al, 2010, Unraveling the paradoxes of plant hormone signaling integration, Nature Structural & Molecular Biology, 17:642–645
3. Duarte B, et. al, 2014, Light–dark O2 dynamics in submerged leaves of C3 and C4 halophytes under increased dissolved CO₂: clues for saltmarsh response to climate change, AoB PLANTS, doi: 10.1093/aobpla/plu067
4. Santos D, et. al, 2014, Unveiling Zn hyperaccumulation in Juncus acutus: Implications on the electronic energy fluxes and on oxidative stress with emphasis on non-functional Zn-chlorophylls, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 140:228-239
5. Domingues N, et. al, 2012, Response of the diatom Phaeodactylum tricornutum to photooxidative stress resulting from high light exposure, PLoS one, 7(6): e38162

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