基于LED光源的科研級植物培養(yǎng)方案(一)

植物培養(yǎng)是生物實驗室最重要的常規(guī)基礎(chǔ)實驗之一。以前的研究中，只要求培養(yǎng)系統(tǒng)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)箱由于種種原因是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求的。

本文將系統(tǒng)介紹一系列基于LED光源的科研級植物培養(yǎng)方案，包括SL3500植物培養(yǎng)LED光源、FytoScope植物生長箱等。這些培養(yǎng)方案和儀器是由歐洲植物生理科學(xué)家直接參與設(shè)計的，才能夠真正進(jìn)行精確的科研實驗

 

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）。

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1. FytoScope LED光源的單色光光譜

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(qiáng)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

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。

圖3.光敏色素與激素的交互作用（Jaillais, 2010）

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（圖4）。

圖4. 不同光源下擬南芥的成長狀況及生理指標(biāo)

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的距離上實現(xiàn)最大2000µmol(photons)/m².s的光強(qiáng)，SL3500 LED光源甚至能達(dá)到3000µmol(photons)/m².s以上的光強(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(qiáng)，只能通過增加或減少燈管數(shù)量來粗略控制光強(qiáng)，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(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可以分別精確控制每種單色光的光強(qiáng)、光照時間，并可以通過軟件實現(xiàn)動態(tài)無級調(diào)控，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(qiáng)同步變化，模擬晝夜周期中氣溫的變化（圖5）。

圖5. 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；

②節(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(qiáng)；

⑤無污染，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。

傳統(tǒng)培養(yǎng)箱的通風(fēng)換氣是通過風(fēng)扇來完成的，培養(yǎng)箱體積越大，需要的風(fēng)扇就越大。這樣會在培養(yǎng)箱內(nèi)形成很強(qiáng)的氣流，這對培養(yǎng)植物的生長反而造成了一定的干擾和脅迫。FytoScope使用了新式的層流式換氣系統(tǒng)，確保培養(yǎng)箱中的氣流速度不高于0.25 m/s，最大程度消除了換氣氣流對植物造成的影響。

傳統(tǒng)培養(yǎng)箱只能給植物提供自然環(huán)境中的空氣，氣體成分變化很大，更不要說對成分進(jìn)行控制。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6.左：配備GMS150的FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)；右：配備GMS150的FytoScopeLED光源生長箱

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。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(qiáng)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。

對于大型生長室來說，還可以與PlantScreen高通量植物表型分析系統(tǒng)聯(lián)合工作。PlantScreen高通量植物表型分析系統(tǒng)是最新的植物表型與作物育種研究技術(shù)的集大成者。它整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動化控制系統(tǒng)、RGB 真彩 3D 成像、葉綠素?zé)晒獬上駵y量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、自動條碼識別管理、自動稱重與澆灌系統(tǒng)等多項先進(jìn)技術(shù)，以最優(yōu)化的方式實現(xiàn)大批量植物樣品——從模式植物擬南芥到大型農(nóng)作物如小麥、玉米到的全方位生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，可以對植物表型組進(jìn)行全面、自動、高通量且無人值守的長期研究分析，可以獲取和研究植物整個生活史的生理變化和表型分析的所有相關(guān)海量數(shù)據(jù)。在國際上已經(jīng)裝備到許多科研院所和孟山都等多家跨國種業(yè)公司，是目前國際上應(yīng)用最廣、技術(shù)最全面的高通量植物表型分析系統(tǒng)。

圖7. PlantScreen高通量植物表型分析系統(tǒng)