基于LED光源的科研级植物培养方案(一)

植物培养是生物实验室最重要的常规基础实验之一。以前的研究中，只要求培养系统能够使种子萌发、基本满足植物的生长即可。但在真正严格的植物生理生态研究中，传统培养箱由于种种原因是远远不能达到要求的。

本文将系统介绍一系列基于LED光源的科研级植物培养方案，包括SL3500植物培养LED光源、FytoScope植物生长箱等。这些培养方案和仪器是由欧洲植物生理科学家直接参与设计的，才能够真正进行精确的科研实验

 

众所周知，光是植物生长中最重要的环境因子之一，它不仅为植物光合作用提供辐射能，还为植物提供信号转导，调节其发育过程。植物在它的整个生命周期中始终处于一个不断变化的光环境中，在长期的进化中，植物不仅适应了光环境的变化，而且还能相互影响而改变周围的光环境。因此，培养箱光源就是决定其品质最重要的部分。

1）光质

到达地面的太阳光波长大约从300～2600nm，其中对光合作用的有效波长在400～700nm之间，其中425～490nm的蓝光以及610～700nm的红光对光合作用贡献率最大，而520～610nm(绿色)的光线被植物吸收的比率很低（闫新房，2009）。

LED(1ight—emitting diodes)，即发光二极管的一大特点就是可以发射出纯度极高的单色光（图1）。因此从LED诞生之初，红光和白光LED就被用于植物培养。

图1. FytoScope LED光源的单色光光谱

在很多研究中，科学家希望尽量模拟自然太阳光来培养植物。由图2中可以看到白炽灯和荧光灯虽然发出的都是白光，实际上其光谱都与太阳光谱有很大差异。与太阳光谱最为类似的就是卤光灯和白光LED。但是，卤光灯由于有相当一部分能量都用于发射植物不能利用的750-2600nm波段近红外辐射。美国GE公司的资料指出这部分能量占到总辐射能量的76%。同时，近红外辐射又会有极强的光辐射增温效应，长时间照射会对培养的植物造成损伤。而LED光源的一大优点就是发热量极少。这从图2的光谱图中也可以看到白光LED的近红外辐射是极低的。

图2.不同光源光谱图，上左：太阳光；上中：白炽灯；上右：荧光灯（日光灯）；下左：卤光灯；下中：冷白光LED；下右：暖白光LED

光除了给植物提供能量，还会直接通过光敏色素和隐花色素来调节植物的多种生理反应（图3）。光敏色素有两个互变异构体——红光光敏色素(Pr)和远红光光敏色素(Pfr)。Pr吸收波长为660 Bin左右的红光，Pfr吸收波长为730nm左右的远红光。光敏色素调节多种不同植物对光的反应，包括光周期，种子萌发、展叶、下胚轴伸长和脱黄化。隐花色素则吸收蓝光和紫外光范围的光波。

图3.光敏色素与激素的交互作用（Jaillais, 2010）

因此FytoScope在白光LED和红蓝LED以外，还配备了远红光光源。除了为植物生长提供最佳的光质，同时满足植物光形态建成的需要。另外，FytoScope可以提供绿光LED与红蓝LED组成三原色光源系统，通过调整三原色的比例，能够发出可见光谱中任意一种颜色的光，用于不同光质对植物影响的研究（图4）。

图4. 不同光源下拟南芥的成长状况及生理指标

2）光强

白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W，荧光灯50-70lm/W，钠灯90-140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。而理论上LED发光源光效可达到300lm/W。

FytoScope LED光源植物培养箱可以在30-50cm的距离上实现最大2000µmol(photons)/m².s的光强，SL3500 LED光源甚至能达到3000µmol(photons)/m².s以上的光强，满足从藻类、拟南芥到小麦、玉米、水稻等高耐光植物的培养需求，并能够进行各种高光/低光胁迫实验。

3）光源与温湿度的调控

传统光源中，荧光灯不能调控光强，只能通过增加或减少灯管数量来粗略控制光强，并不能进行精确实验。白炽灯、卤钨灯虽然可以调节光强，但是由于光谱、光辐射升温等原因，并不是很适用于植物培养。

FytoScope可以分别精确控制每种单色光的光强、光照时间，并可以通过软件实现动态无级调控，模拟昼夜周期变化、日升日落等自然界中光环境变化，以及其他各种任意变化。同时温湿度也可以随着光强同步变化，模拟昼夜周期中气温的变化（图5）。

图5. FytoScope软件中编制的昼夜周期，并模拟日升日落

4）LED光源的其他优点

①使用电源电压较低，供电电压仅为6-24 V，比使用高压电源更安全；

②节能高效，耗电量仅为白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一；

③可以在极短时间内发出脉冲光，响应时间快；

④体积小、结构紧凑、稳定性强；

⑤无污染，作为全固体发光体，不含金属汞、耐冲击、不易破碎、废弃物可回收，是一种绿色照明产品；

⑥寿命长，可达50 000小时以上，是普通照明灯具的几十倍。

传统培养箱的通风换气是通过风扇来完成的，培养箱体积越大，需要的风扇就越大。这样会在培养箱内形成很强的气流，这对培养植物的生长反而造成了一定的干扰和胁迫。FytoScope使用了新式的层流式换气系统，确保培养箱中的气流速度不高于0.25 m/s，最大程度消除了换气气流对植物造成的影响。

传统培养箱只能给植物提供自然环境中的空气，气体成分变化很大，更不要说对成分进行控制。但对于很多研究温室效应或者其他气体对植物影响的科学家，他们需要精确控制培养植物的气体组分。FytoScope配备了GMS150高精度气体混合系统，可控制最多4种生长箱中的气体浓度。标配版可控制空气/氮气和CO₂，也可以根据用户需要配置其他气体的控制功能。系统中内置高精度质量流量计，调控精度高于±2%，稳定性高于±0.1%。在研究温室效应时，可以将CO₂浓度精确控制到ppm级。

图6.左：配备GMS150的FMT150藻类培养与在线监测系统；右：配备GMS150的FytoScopeLED光源生长箱

传统培养箱只能对植物进行一般性培养，并不能在培养过程中自动获得植物生长相关的生理生态监测数据，还需要研究人员将植物取出手动测量。不但耗费人力，而且还会对植物的培养过程造成干扰。

FytoScope配备了MP100叶绿素荧光自动监测仪。MP100内置有目前国际上荧光研究的几乎所用测量程序，包括Ft、QY、OJIP、NPQ、光响应曲线。可以用于光合活性研究、自然环境条件下植物光合能力的长期监测、植物胁迫检测、除草剂测试、人工或野外条件下的植物生长情况监测等。

研究者可以通过FytoScope设计不同的昼夜周期、光质/光强变化、高温/低温胁迫、气体组分等实验，再通过MP100实时监测植物荧光生理指标，进而完成一个完整的植物生理实验。这使得FytoScope单独完成一个实验过程，成为真正的科研仪器，而不同于传统培养箱仅仅是培养实验材料的工具。

对于大型生长室来说，还可以与PlantScreen高通量植物表型分析系统联合工作。PlantScreen高通量植物表型分析系统是最新的植物表型与作物育种研究技术的集大成者。它整合了LED植物智能培养、自动化控制系统、RGB 真彩 3D 成像、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、自动条码识别管理、自动称重与浇灌系统等多项先进技术，以最优化的方式实现大批量植物样品——从模式植物拟南芥到大型农作物如小麦、玉米到的全方位生理生态与形态结构成像分析，可以对植物表型组进行全面、自动、高通量且无人值守的长期研究分析，可以获取和研究植物整个生活史的生理变化和表型分析的所有相关海量数据。在国际上已经装备到许多科研院所和孟山都等多家跨国种业公司，是目前国际上应用最广、技术最全面的高通量植物表型分析系统。

图7. PlantScreen高通量植物表型分析系统