植物中培养检测方案(植物荧光成像)

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易 科泰生态技术有限公司Ecotech Ecological Technology Ltd. 易科泰生态技术 FytoScope LED 光源植物培养箱―—真正的科研级培养箱 一、FytoScope LED 光源植物培养箱与传统植物培养箱的区别和优点 植物培养箱是生物实验室常规仪器之一。以前的研究中，只要求培养箱能够使种子萌发、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，传统培养箱是远远不能达到要求的。而 FytoScope LED 光源植物培养箱是由植物生理科学家直接参与设计的，才是真正用于精确科研实验的植物培养箱。 1.光源 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)。 图1. FytoScope LED 光源的单色光光谱 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。 北京市海淀区中关村东路89号恒兴大厦19B(100190) 易科泰生态技术 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 但在很多研究中，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3.光敏色素与激素的交互作用 (Jaillais，2010) 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 ( 北京市海每区中关村东路89号恒兴大厦19B(100190) Tel.：+86 1 082611269/1572 ) 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。 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。FytoScope 也可以定制其他颜色的单色光。 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。 FytoScopeLED 光源植物培养箱可以在30-50cm白的距离上实现最大2000umol(photons)/m.s 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变化，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4)。 图4.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6一24V，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； ( 北京市海淀区中关村东路89号恒兴大厦19B(100190) Tel.： + 86 1 0 82611269/1572 ) 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50000小时以上，是普通照明灯具的几十倍。 2.培养气体成分控制 传统培养箱只能给植物提供自然环境中的空气。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 CO，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5.配备 GMS150 高精度气体混合系统的 FMT150 藻类培养与在线监测系统 3.植物生理生态监测 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 实时监测植物荧光理理指标，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。 图6.FytoScope 配备的 MP100 叶绿素荧光自动监测仪 二、FytoScope LED 光源植物培养箱技术参数 FytoScope 配备有多种尺寸型号，满足不同用户的需求。其内部容积如下： FFS 130：124LFFS 360： 290L Reach-In FytoScope： 1600L Step-In FytoScope： 3400L/4400L Walk-In FytoScope：超大型版，尺寸可定制，可与 PlantScreen 植物表型成像分析系统组合成为更先进的研究分析系统。 图7.上左： FS130；上中： FS360；上右： Reach-In FytoScope；下左； Step-In FytoScope；下右：与PlantScreen 植物表型成像分析系统组成联合系统的 Walk-In FytoScope 易科泰生态技术 其他技术参数(以FS130为例) LED光源(两种标准光模块，可定制其他光源)： 1.WIR 光源(白+远红光 LEDs；冷白光或暖白光)，共112颗 LED 冷白光： 0-1500umol(photons)/m.s 暖白光： 0-500umol(photons)/m.s 最大光强升级(可选)：2000pmol(photons)/m.s(冷白光)1000umol(photons)/m.s (暖白光)(距光源30cm 处测量) 2.RGBIR 光源(红光+绿光+蓝光+远红光LEDs)， 共336颗LED 总光强：：0-1500umol(photons)/m.s， 红光 627nm： 500umol(photons)/m.s 绿光530nm： 500umol(photons)/m.s 蓝光470nm： 500pmol(photons)/m.s 总光强升级(可选)： 2000umol(photons)/m.s (距光源 30cm处测量) m 环境条件自动控制：精准控制光照模式、光照强度、温度和时间 温度控制范围：+15℃至+50℃(最大光照)，+7℃至+50℃(无光照) 温控升级(可选，不可同时选光源升级)：+7℃至+55℃(最大光照)，可定制更大的温控范围 相对湿度调控范围(可选)：40%~80% 叶绿素荧光监测模块(可选)：可自动监测叶绿素荧光参数 Ft、QY 高精度气体混合系统(可选)：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 CO， m 用户自定义编程控制(可选)：用户可自定义光强及持续时间，设置多达224种光照的阶段性变化，进行昼夜周期模拟 三、FytoScope LED 光源植物培养箱应用案例 1.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Halimione portulacoides 和C4植物海岸米草 Spartina maritima 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。.o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CO浓度 (Duarte， 2014)。 图8.不同COz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 CO，和光照条件下的放氧速率(图8)；|同时通过 FytoScope 中的叶绿素荧光监测则来测量 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9). 图9.两种植物在不同 CO， 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 COz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。 2.重金属胁迫 Santos则使用 FytoScope 来研究 Zn 在灯心草属模式种Juncus acutus 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10)。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11)。 图10.J.acutus 在不同浓度Zn 中的发芽情况 图 11.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。 3.高光胁迫 Domingues 研究了硅藻 Phaeodactylum tricornutum 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(40umol(photons)/m.s)后的硅藻进行高光(1250umol(photons)/m.s)照射，会产生非光化学淬灭(NPQ)的快速响应(图12)。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 12. 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 integ r ation，Nature Structural & Molecular Biology， 17：642-645 ) ( 3. D uarte B， et. al， 2014， Light-dark O2 dynamics in submerged leaves of C3 and C4 halophytesunder increased dissolved CO2： clues for saltmarsh response to climate change， Ao B PLANTS，doi： 10.1093/aobpla/plu067 ) ( 4. Santos D， et. al， 2014， Unveiling Zn hyperaccumulation in Juncus acutus： Implications on the electroni c energy fluxe s an d on oxidative stress with emphasi s s on n on-functional Zn-chlorophylls， Journal of Photochemistry and Ph o tobiology B： Biology， 140：228-239 ) ( 5. Domingues N， et. al， 2 012， R esponse o f the d iatom P haeodactylum t ricornutum t photooxidative stress r esulting from high light exposure， PLoS o n e， 7 ( 6)： e38162 ) Tel.：+ax： +Http：//www.eco-tech. com.cn Email：sales@eco-tech.com. cn info@eco-tech.com.cn Fax： +Http：//www.eco-tech. com.cn Email：sales@eco-tech.com.cn info@eco-tech. com. cn 1.光源众所周知，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）。