Plant Growth and Cultivation科研級植物培養(yǎng)系統(tǒng)方案

植物培養(yǎng)是生物實驗室重要的常規(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

一、現(xiàn)代科研級植物培養(yǎng)的技術(shù)要求

1.光源

眾所周知，光是植物生長中重要的環(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)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ZD，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ZJ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

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)ZD2000μmol(photons)/m2.s的光強，SL3500 LED光源甚能達(dá)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(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)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；

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。

2.通風(fēng)換氣與培養(yǎng)氣體成分控制

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，ZD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

3.植物生理與表型監(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。

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ZX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ZY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)用廣、技術(shù)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)

二、植物培養(yǎng)系統(tǒng)方案

1. 光源

2. FytoScope植物生長箱

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：900L

§ 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8. 上左：FS 130；上右：FS 360；中左：Reach-In FytoScope；中右；Step-In FytoScope；下：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

技術(shù)特點：

§ 全LED光源，標(biāo)配冷白+遠(yuǎn)紅LED，其他光源可定制

§ 30-50cm的距離上ZD光強可達(dá)2000μmol(photons)/m2.s

§ 光照、溫度、濕度可分別同步自動調(diào)控

§ 層流式通風(fēng)系統(tǒng)，ZD程度消除了換氣氣流對植物造成的影響

§ 可添加搖床進(jìn)行藻類培養(yǎng)

§ 配備葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測模塊，可實時監(jiān)測植物光合生理和生長狀況

§ 配備GMS150高精度氣體混合系統(tǒng)，精確調(diào)控氣體組分，可進(jìn)行溫室效應(yīng)等研究

§ 配備專用軟件，用戶自定義編程控制并實時記錄環(huán)境數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)無人值守長期培養(yǎng)

3. 大型生長室

§ 根據(jù)客戶實際情況量身定制

§ 在線控制與實時環(huán)境監(jiān)測

§ 自動光照、溫濕度、CO2調(diào)控

§ 可設(shè)置多個溫室分區(qū)進(jìn)行分別環(huán)境調(diào)控

§ 可結(jié)合PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)進(jìn)行表型組學(xué)、遺傳育種等科學(xué)研究

圖9. 德國萊布尼茨植物遺傳與栽培作物研究所（IPK）的超大型生長室結(jié)合兩套PlantScreen高通量植物表型成像系統(tǒng)

4. AlgaeTron藻類生長室

§ 內(nèi)部容積：124 L、265L

§ 全LED光源，標(biāo)配冷白+遠(yuǎn)紅LED，其他光源可定制

§ 集成專用定軌搖床

§ ZD光強可達(dá)1500μmol(photons)/m2.s

§ 光照、溫度、濕度可分別同步自動調(diào)控

§ 配備GMS150高精度氣體混合系統(tǒng)，精確調(diào)控氣體組分，可進(jìn)行溫室效應(yīng)等研究

§ 配備專用軟件，用戶自定義編程控制并實時記錄環(huán)境數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)無人值守長期培養(yǎng)

5. 其他培養(yǎng)方案

Cultivation Bank LED 培養(yǎng)臺

§ 適用于在大型生長室內(nèi)同時模擬多種光照、溫度環(huán)境，進(jìn)行植物培養(yǎng)對照實驗；也可作為生長箱單獨使用

§ 全LED光源，白光+遠(yuǎn)紅光，白光+遠(yuǎn)紅光+紅光，紅光+綠光+藍(lán)光+遠(yuǎn)紅光三選一，其他光源可定制

§ 配備葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測模塊，可實時監(jiān)測植物光合生理和生長狀況

智能LED培養(yǎng)架

§ 用戶定制開放式培養(yǎng)系統(tǒng)

§ 全LED光源，標(biāo)配冷白+遠(yuǎn)紅LED，其他光源可定制

§ 配備葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測模塊，可實時監(jiān)測植物光合生理和生長狀況

§ 配備專用軟件，用戶自定義編程控制并實時記錄環(huán)境數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)無人值守長期培養(yǎng)

三、發(fā)表文獻(xiàn)及應(yīng)用案例

1.擬南芥葉片和植株年齡對光合能力的影響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光合能力的影響，使用FytoScope生長箱模擬了長期高光適應(yīng)培養(yǎng)過程，ZG光強1800μmol(photons)/m2.s。同時使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)進(jìn)行不同生長階段擬南芥植物與葉片的葉綠素?zé)晒獬上駵y量（圖10），從而發(fā)現(xiàn)在擬南芥生長過程中，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?/span>

2. 擬南芥基因型和表型監(jiān)測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)生信號和環(huán)境信號來促進(jìn)花的發(fā)育。因此在研究相關(guān)基因表達(dá)過程中，需要對環(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鏈接酶時就是通過FytoScope生長箱調(diào)控嚴(yán)格的晝夜節(jié)律培養(yǎng)過程，同時結(jié)合PlantScreen高通量表型成像分析系統(tǒng)（圖11，圖12）對擬南芥的蓮座發(fā)育表型進(jìn)行分析。為這一研究，他們通過這兩套系統(tǒng)開發(fā)出專門的實驗流程，可以在一個實驗周期里，對近1000株擬南芥進(jìn)行發(fā)育、形態(tài)和開花的高通量表型監(jiān)測。

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

圖12. 擬南芥蓮座形態(tài)參數(shù)與生長動態(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生長箱精確模擬了光暗交替的培養(yǎng)周期，從而測量不同光暗條件下氣孔對ABA的反應(yīng)（圖13）。

圖13. 光暗條件下氣孔對ABA的反應(yīng)

4. 海岸帶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）。