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FytoScope LED光源植物培養(yǎng)箱

本文由 上海科學儀器有限公司 整理匯編

2024-09-14 01:47 1231閱讀次數

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FytoScopeLED光源植物培養(yǎng)箱真正的科研級培養(yǎng)箱一、FytoScopeLED光源植物培養(yǎng)箱與傳統(tǒng)植物培養(yǎng)箱的區(qū)別和優(yōu)點植物培養(yǎng)箱是生物實驗室常規(guī)儀器之一。以前的研究中，只要求培養(yǎng)箱能夠使種子萌發(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)箱是遠遠不能達到要求的。而FytoScopeLED光源植物培養(yǎng)箱是由植物生理科學家直接參與設計的，才是真正用于極ng確科研實驗的植物培養(yǎng)箱。1.光源眾所周知，光是植物生長中Z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Z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Zda，而520～610nm(綠色)的光線被植物吸收的比率很低（閆新房，2009）。圖1.FytoScopeLED光源的單色光光譜LED(1ightemittingdiodes)，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但在很多研究中，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Z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3.光敏色素與激素的交互作用（Jaillais,2010）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660Bin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。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**的光質，同時滿足植物光形態(tài)建成的需要。另外，FytoScope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。FytoScope也可以定制其他顏色的單色光。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。FytoScopeLED光源植物培養(yǎng)箱可以在30-50cm的距離上實現Zda2000mol(photons)/m.s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量來粗略控制光強，并不能進行極ng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可以分別極ng確控制每種單色光的光強、光照時間，并可以通過軟件實現動態(tài)變化，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4）。圖4.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624V，比使用高壓電源更安全；②節(jié)能GX，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，是一種綠色照明產品；⑥壽命長，可達50000小時以上，是普通照明燈具的幾十倍。2.培養(yǎng)氣體成分控制傳統(tǒng)培養(yǎng)箱只能給植物提供自然環(huán)境中的空氣。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，他們需要極ng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Z多4種生長箱中的氣體濃度。標配版可控制空氣/氮氣和CO2，也可以根據用戶需要配置其他氣體的控制功能。系統(tǒng)中內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濃度極ng確控制到ppm級。圖5.配備GMS150高精度氣體混合系統(tǒng)的FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)3.植物生理生態(tài)監(jiān)測傳統(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)測數據，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。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。圖6.FytoScope配備的MP100葉綠素熒光自動監(jiān)測儀二、FytoScopeLED光源植物培養(yǎng)箱技術參數FytoScope配備有多種尺寸型號，滿足不同用戶的需求。其內部容積如下：FS130：124LFS360：290LReach-InFytoScope：1600LStep-InFytoScope：3400L/4400LWalk-InFytoScope：超大型版，尺寸可定制，可與PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)組合成為更先進的研究分析系統(tǒng)。圖7.上左：FS130；上中：FS360；上右：Reach-InFytoScop；下左；Step-InFytoScope；下右：與PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)組成聯合系統(tǒng)的Walk-InFytoScope其他技術參數（以FS130為例）LED光源（兩種標準光模塊，可定制其他光源）：1.WIR光源（白+遠紅光LEDs；冷白光或暖白光），共112顆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處測量）光源（紅光+綠光+藍光+遠紅光LEDs），共336顆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處測量）環(huán)境條件自動控制：極ng準控制光照模式、光照強度、溫度和時間溫度控制范圍：+15℃至+50℃（Zda光照），+7℃至+50℃（無光照）溫控升級（可選，不可同時選光源升級）：+7℃至+55℃（Zda光照），可定制更大的溫控范圍相對濕度調控范圍（可選）：40%~80%葉綠素熒光監(jiān)測模塊（可選）：可自動監(jiān)測葉綠素熒光參數Ft、QY高精度氣體混合系統(tǒng)（可選）：可控制Z多4種生長箱中的氣體濃度，標配版可控制空氣/氮氣和CO2用戶自定義編程控制（可選）：用戶可自定義光強及持續(xù)時間，設置多達224種光照的階段性變化，進行晝夜周期模擬三、FytoScopeLED光源植物培養(yǎng)箱應用案例1.植物對氣候變化的響應機制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。一方面FytoScope可以調控溫度、光照及晝夜變化；另一方面FytoScope也能夠極ng確控制CO2濃度（Duarte，2014）。圖8.不同CO2和光照條件下兩種植物氧氣的生產和消耗Duarte使用溶解氧測量儀（RF-O2熒光光纖氧氣測量技術）測量兩種植物在不同CO2和光照條件下的放氧速率（圖8）；同時通過FytoScope中的葉綠素熒光監(jiān)測儀來測量OJIP曲線、Fv、QY、ABS/CS、TR0/CS、ET0/CS等十余項熒光參數來分析對光合系統(tǒng)的影響（圖9）。圖9.兩種植物在不同CO2條件下的OJIP動力學曲線Z后，Duarte認為鹽沼會通過水體的氧化作用與吸收過量CO2的酸化緩沖作用，在氣候變化的補償效應中扮演重要的角色。2.重金屬脅迫Santos則使用FytoScope來研究Zn在燈心草屬模式種Juncusacutus中的超積累（Santos，2014）。通過設置一系列不同濃度的Zn脅迫梯度來培養(yǎng)J.acutus，測量發(fā)芽率、干重等生長指標（圖10）。又用FP100葉綠素熒光測量儀來分析Zn對其光合系統(tǒng)的損傷（圖11）。圖10.J.acutus在不同濃度Zn中的發(fā)芽情況圖11.J.acutus在不同濃度Zn中的OJIP動力學曲線SantosZ終的結論是表現出了J.acutus對高濃度Zn的高耐受性，同時能夠抵御Zn對葉綠體膜造成的過量氧化物積累的傷害。因此，J.acutus可以用于對陸地和水體的重金屬污染生態(tài)修復。3.高光脅迫Domingues研究了硅藻Phaeodactylumtricornutum對高光照造成的光氧化脅迫的響應機制（Domingues，2012）。發(fā)現將低光適應（40mol(photons)/m.s）后的硅藻進行高光（1250mol(photons)/m.s）照射，會產生非光化學淬滅（NPQ）的快速響應（圖12）。而且高光照對Zda量子產額（Fv/Fm）造成了和林可霉素相同的效果，即活性PSII反應ZX的顯著減少。圖12.P.tricornutumNPQ和Fv/Fm的變化Domingues認為P.tricornutum在高光下會將總蛋白更多的分配給光YZ靶蛋白D1，并激活D1修復循環(huán)來限制光YZ。參考文獻：閆新房等，2009，LED光源在植物組織培養(yǎng)中的應用，ZG農學通報，12：42-45JaillaisY,et.al,2010,Unrave領theparadoxesofplanthormonesigna領integration,NatureStructural&MolecularBiology,17:642645DuarteB,et.al,2014,LightdarkO2dynamicsinsubmergedleavesofC3andC4halophytesunderincreaseddissolvedCO2:cluesforsaltmarshresponsetoclimatechange,AoBPLANTS,doi:10.1093/aobpla/plu067SantosD,et.al,2014,Unvei領ZnhyperaccumulationinJuncusacutus:Implicationsontheelectronicenergyfluxesandonoxidativestresswithemphasisonnon-functionalZn-chlorophylls,JournalofPhotochemistryandPhotobiologyB:Biology,140:228-239DominguesN,et.al,2012,ResponseofthediatomPhaeodactylumtricornutumtophotooxidativestressresultingfromhighlightexposure,PLoSone,7(6):e38162

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