基于LED光源的科研級(jí)植物培養(yǎng)方案(三)

植物培養(yǎng)是生物實(shí)驗(yàn)室最重要的常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(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(jí)植物培養(yǎng)方案，包括SL3500植物培養(yǎng)LED光源、FytoScope植物生長(zhǎng)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(jì)的，才能夠真正進(jìn)行精確的科研實(shí)驗(yàn)。

發(fā)表文獻(xiàn)及應(yīng)用案例
1.擬南芥葉片和植株年齡對(duì)光合能力的影響B(tài)ielczynski L W, et. al, 2017,Leaf and plant age affects photosynthetic performance and photoprotective capacity. Plant Physiology, DOI: https://doi.org/10.1104/pp.17.00904
Bielczynski為了研究擬南芥葉片和植株年齡對(duì)光合能力的影響，使用FytoScope生長(zhǎng)箱模擬了長(zhǎng)期高光適應(yīng)培養(yǎng)過(guò)程，最高光強(qiáng)1800µmol(photons)/m².s。同時(shí)使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)進(jìn)行不同生長(zhǎng)階段擬南芥植物與葉片的葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量（圖10），從而發(fā)現(xiàn)在擬南芥生長(zhǎng)過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)的光合能力在逐漸上升。在高光脅迫下，老葉的適應(yīng)能力要低于幼葉。

圖10. 不同葉片與同一葉片不同年齡的葉綠素?zé)晒獬上?/CENTER>

2. 擬南芥基因型和表型監(jiān)測(cè)Pavicic M, et. al, 2017,Genomic and Phenomic Screens for Flower Related RING Type UbiquitinE3 Ligases in Arabidopsis.Frontiers in Plant Science, doi: 10.3389/fpls.2017.00416
花期調(diào)控是結(jié)合內(nèi)生信號(hào)和環(huán)境信號(hào)來(lái)促進(jìn)花的發(fā)育。因此在研究相關(guān)基因表達(dá)過(guò)程中，需要對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行嚴(yán)格控制，在結(jié)合Phenotyping表型成像進(jìn)行相關(guān)分析。芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Pavicic在研究擬南芥泛素E3鏈接酶時(shí)就是通過(guò)FytoScope生長(zhǎng)箱調(diào)控嚴(yán)格的晝夜節(jié)律培養(yǎng)過(guò)程，同時(shí)結(jié)合PlantScreen高通量表型成像分析系統(tǒng)（圖11，圖12）對(duì)擬南芥的蓮座發(fā)育表型進(jìn)行分析。為這一研究，他們通過(guò)這兩套系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出專門的實(shí)驗(yàn)流程，可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期里，對(duì)近1000株擬南芥進(jìn)行發(fā)育、形態(tài)和開(kāi)花的高通量表型監(jiān)測(cè)。


圖11. 芬蘭赫爾辛基大學(xué)PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)自動(dòng)傳送版 + FytoScope Walk-in大型生長(zhǎng)室


圖12. 擬南芥蓮座形態(tài)參數(shù)與生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

3. ABA誘導(dǎo)擬南芥氣孔關(guān)閉的調(diào)控通道Eisenach C, et. al, 2017,ABA-Induced Stomatal Closure Involves ALMT4, a PhosphorylationDependent Vacuolar Anion Channel of Arabidopsis. Plant Cell, doi:10.1105/tpc.17.00452

氣孔的開(kāi)閉與光照、溫度、濕度等環(huán)境因素密切相關(guān)，因此在其相關(guān)基因與調(diào)控的研究中，必須對(duì)這些環(huán)境因素進(jìn)行精確控制。在本研究中正是使用了FytoScope生長(zhǎng)箱精確模擬了光暗交替的培養(yǎng)周期，從而測(cè)量不同光暗條件下氣孔對(duì)ABA的反應(yīng)（圖13）。


圖13. 光暗條件下氣孔對(duì)ABA的反應(yīng)

4. 海岸帶植物對(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Halimioneportulacoides和C4植物海岸米草Spartinamaritima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也能夠精確控制CO2濃度（Duarte，2014）。
 

圖14. 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MP100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15）。


圖15.兩種植物在不同CO2條件下的OJIP動(dòng)力學(xué)曲線

最后，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。

5.重金屬脅迫對(duì)種子發(fā)芽與光合生理的影響
Santos使用FytoScope來(lái)研究Zn在燈心草屬模式種Juncusacutus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16）。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17）。


圖16. J. acutus在不同濃度Zn中的發(fā)芽情況


圖17. J. acutus在不同濃度Zn中的OJIP動(dòng)力學(xué)曲線

Santos最終的結(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)。

6.高光脅迫對(duì)藻類的影響
Domingues研究了硅藻Phaeodactylumtricornutum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18）。而且高光照對(duì)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18. 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. Bielczynski L W, et. al, 2017,Leaf and plant age affects photosynthetic performance and photoprotective capacity. Plant Physiology, DOI: https://doi.org/10.1104/pp.17.00904
4. Pavicic M, et. al, 2017,Genomic and Phenomic Screens for Flower Related RING Type UbiquitinE3 Ligases in Arabidopsis. Frontiers in Plant Science, doi: 10.3389/fpls.2017.00416
5. Eisenach C, et. al, 2017,ABA-Induced Stomatal Closure Involves ALMT4, a PhosphorylationDependent Vacuolar Anion Channel of Arabidopsis. Plant Cell, doi:10.1105/tpc.17.00452
6. 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
7. Santos D, et. al, 2014, Unveiling Zn hyperaccumulation in Juncusacutus: 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
8. Domingues N, et. al, 2012, Response of the diatom Phaeodactylumtricornutum to photooxidative stress resulting from high light exposure, PLoS one, 7(6): e3816

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基于LED光源的科研級(jí)植物培養(yǎng)方案(一)
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