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遠不能達到要求的。

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家直接參與設計的，才能夠真正進行精確的科研實驗

 

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導，調節(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，在長期的進化中，植物不僅適應了光環(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最重要的部分。

1）光質

到達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的藍光以及610～700nm的紅光對光合作用貢獻率最大，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，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節(jié)植物的多種生理反應（圖3）。光敏色素有兩個互變異構體——紅光光敏色素(Pr)和遠紅光光敏色素(Pfr)。Pr吸收波長為660 Bin左右的紅光，Pfr吸收波長為730nm左右的遠紅光。光敏色素調節(jié)多種不同植物對光的反應，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LED以外，還配備了遠紅光光源。除了為植物生長提供最佳的光質，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LED組成三原色光源系統(tǒng)，通過調整三原色的比例，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

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，SL3500 LED光源甚至能達到3000µmol(photons)/m².s以上的光強，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，并能夠進行各種高光/低光脅迫實驗。

3）光源與溫濕度的調控

傳統(tǒng)光源中，熒光燈不能調控光強，只能通過增加或減少燈管數(shù)量來粗略控制光強，并不能進行精確實驗。白熾燈、鹵鎢燈雖然可以調節(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)無級調控，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，響應時間快；

④體積小、結構緊湊、穩(wěn)定性強；

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)箱的通風換氣是通過風扇來完成的，培養(yǎng)箱體積越大，需要的風扇就越大。這樣會在培養(yǎng)箱內(nèi)形成很強的氣流，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，更不要說對成分進行控制。但對于很多研究溫室效應或者其他氣體對植物影響的科學家，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)置高精度質量流量計，調控精度高于±2%，穩(wěn)定性高于±0.1%。在研究溫室效應時，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葉綠素熒光自動監(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設計不同的晝夜周期、光質/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，進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、葉綠素熒光成像測量分析、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)等多項先進技術，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)結構成像分析，可以對植物表型組進行全面、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，是目前國際上應用最廣、技術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)