FytoScope LED光源植物培养箱

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FytoScopeLED光源植物培养箱真正的科研级培养箱一、FytoScopeLED光源植物培养箱与传统植物培养箱的区别和优点植物培养箱是生物实验室常规仪器之一。以前的研究中，只要求培养箱能够使种子萌发、基本满足植物的生长即可。但在真正严格的植物生理生态研究中，传统培养箱是远远不能达到要求的。而FytoScopeLED光源植物培养箱是由植物生理科学家直接参与设计的，才是真正用于极ng确科研实验的植物培养箱。1.光源众所周知，光是植物生长中Z重要的环境因子之一，它不仅为植物光合作用提供辐射能，还为植物提供信号转导，调节其发育过程。植物在它的整个生命周期中始终处于一个不断变化的光环境中，在长期的进化中，植物不仅适应了光环境的变化，而且还能相互影响而改变周围的光环境。因此，培养箱光源就是决定其品质Z重要的部分。1）光质到达地面的太阳光波长大约从300～2600nm，其中对光合作用的有效波长在400～700nm之间，其中425～490nm的蓝光以及610～700nm的红光对光合作用贡献率Zda，而520～610nm(绿色)的光线被植物吸收的比率很低（闫新房，2009）。图1.FytoScopeLED光源的单色光光谱LED(1ightemittingdiodes)，即发光二极管的一大特点就是可以发射出纯度极高的单色光（图1）。因此从LED诞生之初，红光和白光LED就被用于植物培养。图2.不同光源光谱图，上左：太阳光；上中：白炽灯；上右：荧光灯（日光灯）；下左：卤光灯；下中：冷白光LED；下右：暖白光LED但在很多研究中，科学家希望尽量模拟自然太阳光来培养植物。由图2中可以看到白炽灯和荧光灯虽然发出的都是白光，实际上其光谱都与太阳光谱有很大差异。与太阳光谱Z为类似的就是卤光灯和白光LED。但是，卤光灯由于有相当一部分能量都用于发射植物不能利用的750-2600nm波段近红外辐射。美国GE公司的资料指出这部分能量占到总辐射能量的76%。同时，近红外辐射又会有极强的光辐射增温效应，长时间照射会对培养的植物造成损伤。而LED光源的一大优点就是发热量极少。这从图2的光谱图中也可以看到白光LED的近红外辐射是极低的。图3.光敏色素与激素的交互作用（Jaillais,2010）光除了给植物提供能量，还会直接通过光敏色素和隐花色素来调节植物的多种生理反应（图3）。光敏色素有两个互变异构体红光光敏色素(Pr)和远红光光敏色素(Pfr)。Pr吸收波长为660Bin左右的红光，Pfr吸收波长为730nm左右的远红光。光敏色素调节多种不同植物对光的反应，包括光周期，种子萌发、展叶、下胚轴伸长和脱黄化。隐花色素则吸收蓝光和紫外光范围的光波。因此FytoScope在白光LED和红蓝LED以外，还配备了远红光光源。除了为植物生长提供**的光质，同时满足植物光形态建成的需要。另外，FytoScope可以提供绿光LED与红蓝LED组成三原色光源系统，通过调整三原色的比例，能够发出可见光谱中任意一种颜色的光，用于不同光质对植物影响的研究。FytoScope也可以定制其他颜色的单色光。2）光强白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W，荧光灯50-70lm/W，钠灯90-140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。而理论上LED发光源光效可达到300lm/W。FytoScopeLED光源植物培养箱可以在30-50cm的距离上实现Zda2000mol(photons)/m.s的光强，满足从藻类、拟南芥到小麦、玉米、水稻等高耐光植物的培养需求，并能够进行各种高光/低光胁迫实验。3）光源与温湿度的调控传统光源中，荧光灯不能调控光强，只能通过增加或减少灯管数量来粗略控制光强，并不能进行极ng确实验。白炽灯、卤钨灯虽然可以调节光强，但是由于光谱、光辐射升温等原因，并不是很适用于植物培养。FytoScope可以分别极ng确控制每种单色光的光强、光照时间，并可以通过软件实现动态变化，模拟昼夜周期变化、日升日落等自然界中光环境变化，以及其他各种任意变化。同时温湿度也可以随着光强同步变化，模拟昼夜周期中气温的变化（图4）。图4.FytoScope软件中编制的昼夜周期，并模拟日升日落4）LED光源的其他优点①使用电源电压较低，供电电压仅为624V，比使用高压电源更安全；②节能GX，耗电量仅为白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一；③可以在极短时间内发出脉冲光，响应时间快；④体积小、结构紧凑、稳定性强；⑤无污染，作为全固体发光体，不含金属汞、耐冲击、不易破碎、废弃物可回收，是一种绿色照明产品；⑥寿命长，可达50000小时以上，是普通照明灯具的几十倍。2.培养气体成分控制传统培养箱只能给植物提供自然环境中的空气。但对于很多研究温室效应或者其他气体对植物影响的科学家，他们需要极ng确控制培养植物的气体组分。FytoScope配备了GMS150高精度气体混合系统，可控制Z多4种生长箱中的气体浓度。标配版可控制空气/氮气和CO2，也可以根据用户需要配置其他气体的控制功能。系统中内置高精度质量流量计，调控精度高于±2%，稳定性高于±0.1%。在研究温室效应时，可以将CO2浓度极ng确控制到ppm级。图5.配备GMS150高精度气体混合系统的FMT150藻类培养与在线监测系统3.植物生理生态监测传统培养箱只能对植物进行一般性培养，并不能在培养过程中自动获得植物生长相关的生理生态监测数据，还需要研究人员将植物取出手动测量。不但耗费人力，而且还会对植物的培养过程造成干扰。FytoScope配备了MP100叶绿素荧光自动监测仪。MP100内置有目前国际上荧光研究的几乎所用测量程序，包括Ft、QY、OJIP、NPQ、光响应曲线。可以用于光合活性研究、自然环境条件下植物光合能力的长期监测、植物胁迫检测、除草剂测试、人工或野外条件下的植物生长情况监测等。研究者可以通过FytoScope设计不同的昼夜周期、光质/光强变化、高温/低温胁迫、气体组分等实验，再通过MP100实时监测植物荧光生理指标，进而完成一个完整的植物生理实验。这使得FytoScope单独完成一个实验过程，成为真正的科研仪器，而不同于传统培养箱仅仅是培养实验材料的工具。图6.FytoScope配备的MP100叶绿素荧光自动监测仪二、FytoScopeLED光源植物培养箱技术参数FytoScope配备有多种尺寸型号，满足不同用户的需求。其内部容积如下：FS130：124LFS360：290LReach-InFytoScope：1600LStep-InFytoScope：3400L/4400LWalk-InFytoScope：超大型版，尺寸可定制，可与PlantScreen植物表型成像分析系统组合成为更先进的研究分析系统。图7.上左：FS130；上中：FS360；上右：Reach-InFytoScop；下左；Step-InFytoScope；下右：与PlantScreen植物表型成像分析系统组成联合系统的Walk-InFytoScope其他技术参数（以FS130为例）LED光源（两种标准光模块，可定制其他光源）：1.WIR光源（白+远红光LEDs；冷白光或暖白光），共112颗LED0-1500mol(photons)/m.s0-500mol(photons)/m.s2000mol(photons)/m.s（冷白光）1000mol(photons)/m.s（暖白光）（距光源30cm处测量）光源（红光+绿光+蓝光+远红光LEDs），共336颗LED0-1500mol(photons)/m.s，627nm：500mol(photons)/m.s530nm：500mol(photons)/m.s470nm：500mol(photons)/m.s2000mol(photons)/m.s（距光源30cm处测量）环境条件自动控制：极ng准控制光照模式、光照强度、温度和时间温度控制范围：+15℃至+50℃（Zda光照），+7℃至+50℃（无光照）温控升级（可选，不可同时选光源升级）：+7℃至+55℃（Zda光照），可定制更大的温控范围相对湿度调控范围（可选）：40%~80%叶绿素荧光监测模块（可选）：可自动监测叶绿素荧光参数Ft、QY高精度气体混合系统（可选）：可控制Z多4种生长箱中的气体浓度，标配版可控制空气/氮气和CO2用户自定义编程控制（可选）：用户可自定义光强及持续时间，设置多达224种光照的阶段性变化，进行昼夜周期模拟三、FytoScopeLED光源植物培养箱应用案例1.植物对气候变化的响应机制Duarte使用FytoScope模拟昼夜变化研究了C3植物Halimioneportulacoides和C4植物海岸米草Spartinamaritima在不同溶解CO2条件下的生理变化，探讨盐沼植物对气候变化的响应。一方面FytoScope可以调控温度、光照及昼夜变化；另一方面FytoScope也能够极ng确控制CO2浓度（Duarte，2014）。图8.不同CO2和光照条件下两种植物氧气的生产和消耗Duarte使用溶解氧测量仪（RF-O2荧光光纤氧气测量技术）测量两种植物在不同CO2和光照条件下的放氧速率（图8）；同时通过FytoScope中的叶绿素荧光监测仪来测量OJIP曲线、Fv、QY、ABS/CS、TR0/CS、ET0/CS等十余项荧光参数来分析对光合系统的影响（图9）。图9.两种植物在不同CO2条件下的OJIP动力学曲线Z后，Duarte认为盐沼会通过水体的氧化作用与吸收过量CO2的酸化缓冲作用，在气候变化的补偿效应中扮演重要的角色。2.重金属胁迫Santos则使用FytoScope来研究Zn在灯心草属模式种Juncusacutus中的超积累（Santos，2014）。通过设置一系列不同浓度的Zn胁迫梯度来培养J.acutus，测量发芽率、干重等生长指标（图10）。又用FP100叶绿素荧光测量仪来分析Zn对其光合系统的损伤（图11）。图10.J.acutus在不同浓度Zn中的发芽情况图11.J.acutus在不同浓度Zn中的OJIP动力学曲线SantosZ终的结论是表现出了J.acutus对高浓度Zn的高耐受性，同时能够抵御Zn对叶绿体膜造成的过量氧化物积累的伤害。因此，J.acutus可以用于对陆地和水体的重金属污染生态修复。3.高光胁迫Domingues研究了硅藻Phaeodactylumtricornutum对高光照造成的光氧化胁迫的响应机制（Domingues，2012）。发现将低光适应（40mol(photons)/m.s）后的硅藻进行高光（1250mol(photons)/m.s）照射，会产生非光化学淬灭（NPQ）的快速响应（图12）。而且高光照对Zda量子产额（Fv/Fm）造成了和林可霉素相同的效果，即活性PSII反应ZX的显著减少。图12.P.tricornutumNPQ和Fv/Fm的变化Domingues认为P.tricornutum在高光下会将总蛋白更多的分配给光YZ靶蛋白D1，并激活D1修复循环来限制光YZ。参考文献：闫新房等，2009，LED光源在植物组织培养中的应用，ZG农学通报，12：42-45JaillaisY,et.al,2010,Unrave领theparadoxesofplanthormonesigna领integration,NatureStructural&MolecularBiology,17:642645DuarteB,et.al,2014,LightdarkO2dynamicsinsubmergedleavesofC3andC4halophytesunderincreaseddissolvedCO2:cluesforsaltmarshresponsetoclimatechange,AoBPLANTS,doi:10.1093/aobpla/plu067SantosD,et.al,2014,Unvei领ZnhyperaccumulationinJuncusacutus:Implicationsontheelectronicenergyfluxesandonoxidativestresswithemphasisonnon-functionalZn-chlorophylls,JournalofPhotochemistryandPhotobiologyB:Biology,140:228-239DominguesN,et.al,2012,ResponseofthediatomPhaeodactylumtricornutumtophotooxidativestressresultingfromhighlightexposure,PLoSone,7(6):e38162
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