基于LED光源的科研级植物培养方案(三)

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。

发表文献及应用案例
1.拟南芥叶片和植株年龄对光合能力的影响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
Bielczynski为了研究拟南芥叶片和植株年龄对光合能力的影响，使用FytoScope生长箱模拟了长期高光适应培养过程，最高光强1800µmol(photons)/m².s。同时使用FluorCam叶绿素荧光成像系统进行不同生长阶段拟南芥植物与叶片的叶绿素荧光成像测量（图10），从而发现在拟南芥生长过程中，稳态的光合能力在逐渐上升。在高光胁迫下，老叶的适应能力要低于幼叶。

图10. 不同叶片与同一叶片不同年龄的叶绿素荧光成像

图11. 芬兰赫尔辛基大学PlantScreen植物表型成像分析系统自动传送版 + FytoScope Walk-in大型生长室


图12. 拟南芥莲座形态参数与生长动态

3. ABA诱导拟南芥气孔关闭的调控通道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

气孔的开闭与光照、温度、湿度等环境因素密切相关，因此在其相关基因与调控的研究中，必须对这些环境因素进行精确控制。在本研究中正是使用了FytoScope生长箱精确模拟了光暗交替的培养周期，从而测量不同光暗条件下气孔对ABA的反应（图13）。


图13. 光暗条件下气孔对ABA的反应

4. 海岸带植物对气候变化的响应机制
Duarte使用FytoScope模拟昼夜变化研究了C3植物Halimioneportulacoides和C4植物海岸米草Spartinamaritima在不同溶解CO2条件下的生理变化，探讨盐沼植物对气候变化的响应。一方面FytoScope可以调控温度、光照及昼夜变化；另一方面FytoScope也能够精确控制CO2浓度（Duarte，2014）。
 

图14. 不同CO2和光照条件下两种植物氧气的生产和消耗

Duarte使用溶解氧测量仪（RF-O2荧光光纤氧气测量技术）测量两种植物在不同CO2和光照条件下的放氧速率（图8）；同时通过FytoScope中的MP100叶绿素荧光监测仪来测量OJIP曲线、Fv、QY、ABS/CS、TR0/CS、ET0/CS等十余项荧光参数来分析对光合系统的影响（图15）。


图15.两种植物在不同CO2条件下的OJIP动力学曲线

最后，Duarte认为盐沼会通过水体的氧化作用与吸收过量CO2的酸化缓冲作用，在气候变化的补偿效应中扮演重要的角色。

5.重金属胁迫对种子发芽与光合生理的影响
Santos使用FytoScope来研究Zn在灯心草属模式种Juncusacutus中的超积累（Santos，2014）。通过设置一系列不同浓度的Zn胁迫梯度来培养J. acutus，测量发芽率、干重等生长指标（图16）。又用FP100叶绿素荧光测量仪来分析Zn对其光合系统的损伤（图17）。


图16. J. acutus在不同浓度Zn中的发芽情况


图17. J. acutus在不同浓度Zn中的OJIP动力学曲线

Santos最终的结论是表现出了J. acutus对高浓度Zn的高耐受性，同时能够抵御Zn对叶绿体膜造成的过量氧化物积累的伤害。因此，J. acutus可以用于对陆地和水体的重金属污染生态修复。

6.高光胁迫对藻类的影响
Domingues研究了硅藻Phaeodactylumtricornutum对高光照造成的光氧化胁迫的响应机制（Domingues，2012）。发现将低光适应（40µmol(photons)/m².s）后的硅藻进行高光（1250µmol(photons)/m².s）照射，会产生非光化学淬灭（NPQ）的快速响应（图18）。而且高光照对最大量子产额（Fv/Fm）造成了和林可霉素相同的效果，即活性PSII反应中心的显著减少。


图18. P. tricornutum NPQ和Fv/Fm的变化

Domingues认为P. tricornutum在高光下会将总蛋白更多的分配给光抑制靶蛋白D1，并激活D1修复循环来限制光抑制。

参考文献：
1. 闫新房等，2009，LED光源在植物组织培养中的应用，中国农学通报，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

相关链接：
基于LED光源的科研级植物培养方案(一)
基于LED光源的科研级植物培养方案(二)