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
植物培養(yǎng)箱是生物實驗室常規(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)計的，才是真正用于精確科研實驗的植物培養(yǎng)箱。
1.光源
眾所周知，光是植物生長中最重要的環(huán)境因子之一，它不僅為植物光合作用提供輻射能，還為植物提供信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)其發(fā)育過程。植物在它的整個生命周期中始終處于一個不斷變化的光環(huán)境中，在長期的進(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圍的光環(huán)境。因此，培養(yǎng)箱光源就是決定其品質(zhì)最重要的部分。
1)光質(zhì)
到達(dá)地面的太陽光波長大約從300～2600nm，其中對光合作用的有效波長在400～700nm之間，其中425～490nm的藍(lán)光以及610～700nm的紅光對光合作用貢獻(xiàn)率最大，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就是可以發(fā)射出純度極高的單色光(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光來培養(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，實際上其光譜都與太陽光譜有很大差異。與太陽光譜最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GE公司的資料指出這部分能量占到總輻射能量的76%。同時，近紅外輻射又會有極強的光輻射增溫效應(yīng)，長時間照射會對培養(yǎng)的植物造成損傷。而LED光源的一大優(yōu)點就是發(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，還會直接通過光敏色素和隱花色素來調(diào)節(jié)植物的多種生理反應(yīng)(圖3)。光敏色素有兩個互變異構(gòu)體——紅光光敏色素(Pr)和遠(yuǎn)紅光光敏色素(Pfr)。Pr吸收波長為660 Bin左右的紅光，Pfr吸收波長為730nm左右的遠(yuǎn)紅光。光敏色素調(diào)節(jié)多種不同植物對光的反應(yīng)，包括光周期，種子萌發(fā)、展葉、下胚軸伸長和脫黃化。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。除了為植物生長提供最佳的光質(zhì)，同時滿足植物光形態(tài)建成的需要。另外，F(xiàn)ytoScope可以提供綠光LED與紅藍(lán)LED組成三原色光源系統(tǒng)，通過調(diào)整三原色的比例，能夠發(fā)出可見光譜中任意一種顏色的光，用于不同光質(zhì)對植物影響的研究。FytoScope也可以定制其他顏色的單色光。
2)光強
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的距離上實現(xiàn)最大2000μmol(photons)/m2.s的光強，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/低光脅迫實驗。
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，只能通過增加或減少燈管數(shù)量來粗略控制光強，并不能進(jìn)行精確實驗。白熾燈、鹵鎢燈雖然可以調(diào)節(jié)光強，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可以分別精確控制每種單色光的光強、光照時間，并可以通過軟件實現(xiàn)動態(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。同時溫濕度也可以隨著光強同步變化，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
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;
?、诠?jié)能高效，耗電量僅為白熾燈的八分之一，熒光燈的二分之一;
③可以在極短時間內(nèi)發(fā)出脈沖光，響應(yīng)時間快;
④體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強;
?、轃o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，可達(dá)50 000小時以上，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。但對于很多研究溫室效應(yīng)或者其他氣體對植物影響的科學(xué)家，他們需要精確控制培養(yǎng)植物的氣體組分。FytoScope配備了GMS150高精度氣體混合系統(tǒng)，可控制最多4種生長箱中的氣體濃度。標(biāo)配版可控制空氣/氮氣和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，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，可以將CO2濃度精確控制到ppm級。
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)測系統(tǒng)
3.植物生理生態(tài)監(jiān)測
傳統(tǒng)培養(yǎng)箱只能對植物進(jìn)行一般性培養(yǎng)，并不能在培養(yǎng)過程中自動獲得植物生長相關(guān)的生理生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，還需要研究人員將植物取出手動測量。不但耗費人力，而且還會對植物的培養(yǎng)過程造成干擾。
FytoScope配備了MP100葉綠素?zé)晒庾詣颖O(jiān)測儀。MP100內(nèi)置有目前國際上熒光研究的幾乎所用測量程序，包括Ft、QY、OJIP、NPQ、光響應(yīng)曲線?？梢杂糜诠夂匣钚匝芯?、自然環(huán)境條件下植物光合能力的長期監(jiān)測、植物脅迫檢測、除草劑測試、人工或野外條件下的植物生長情況監(jiān)測等。
研究者可以通過FytoScope設(shè)計不同的晝夜周期、光質(zhì)/光強變化、高溫/低溫脅迫、氣體組分等實驗，再通過MP100實時監(jiān)測植物熒光生理指標(biāo)，進(jìn)而完成一個完整的植物生理實驗。這使得FytoScope單獨完成一個實驗過程，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)實驗材料的工具。
圖6. FytoScope配備的MP100葉綠素?zé)晒庾詣颖O(jiān)測儀
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，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
冷白光：0-1500μmol(photons)/m2.s
暖白光：0-500μmol(photons)/m2.s
最大光強升級(可選)：2000μmol(photons)/m2.s(冷白光)1000μmol(photons)/m2.s(暖白光)(距光源30cm處測量)
2.RGBIR光源(紅光+綠光+藍(lán)光+遠(yuǎn)紅光LEDs)，共336顆LED
總光強：0-1500μmol(photons)/m2.s，
紅光627nm：500μmol(photons)/m2.s
綠光530nm：500μmol(photons)/m2.s
藍(lán)光470nm：500μmol(photons)/m2.s
總光強升級(可選)：2000μmol(photons)/m2.s(距光源30cm處測量)
§ 環(huán)境條件自動控制：精準(zhǔn)控制光照模式、光照強度、溫度和時間
§ 溫度控制范圍：+15℃至+50℃(最大光照)，+7℃至+50℃(無光照)
§ 溫控升級(可選，不可同時選光源升級)：+7℃至+55℃(最大光照)，可定制更大的溫控范圍
§ 相對濕度調(diào)控范圍(可選)：40%~80%
§ 葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測模塊(可選)：可自動監(jiān)測葉綠素?zé)晒鈪?shù)Ft、QY
§ 高精度氣體混合系統(tǒng)(可選)：可控制最多4種生長箱中的氣體濃度，標(biāo)配版可控制空氣/氮氣和CO2
§ 用戶自定義編程控制(可選)：用戶可自定義光強及持續(xù)時間，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.植物對氣候變化的響應(yīng)機制
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也能夠精確控制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使用溶解氧測量儀(RF-O2熒光光纖氧氣測量技術(shù))測量兩種植物在不同CO2和光照條件下的放氧速率(圖8);同時通過FytoScope中的葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測儀來測量OJIP曲線、Fv、QY、ABS/CS、TR0/CS、ET0/CS等十余項熒光參數(shù)來分析對光合系統(tǒng)的影響(圖9)。
圖9.兩種植物在不同CO2條件下的OJIP動力學(xué)曲線
最后，Duarte認(rèn)為鹽沼會通過水體的氧化作用與吸收過量CO2的酸化緩沖作用，在氣候變化的補償效應(yīng)中扮演重要的角色。
2.重金屬脅迫
Santos則使用FytoScope來研究Zn在燈心草屬模式種Juncus acutus中的超積累(Santos，2014)。通過設(shè)置一系列不同濃度的Zn脅迫梯度來培養(yǎng)J. acutus，測量發(fā)芽率、干重等生長指標(biāo)(圖10)。又用FP100葉綠素?zé)晒鉁y量儀來分析Zn對其光合系統(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動力學(xué)曲線
Santos最終的結(jié)論是表現(xiàn)出了J. acutus對高濃度Zn的高耐受性，同時能夠抵御Zn對葉綠體膜造成的過量氧化物積累的傷害。因此，J. acutus可以用于對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對高光照造成的光氧化脅迫的響應(yīng)機制(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)。而且高光照對最大量子產(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. tricornutumNPQ和Fv/Fm的變化
Domingues認(rèn)為P. tricornutum在高光下會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，中國農(nóng)學(xué)通報，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 inJuncus 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 diatomPhaeodactylum tricornutumto photooxidative stress resulting from high light exposure, PLoS one, 7(6): e38162
