一、FytoScope LED光源植物培養箱與傳統植物培養箱的區別和優點
植物培養箱是生物實驗室常規儀器之一。以前的研究中，只要求培養箱能夠使種子萌發、基本滿足植物的生長即可。但在真正嚴格的植物生理生態研究中，傳統培養箱是遠遠不能達到要求的。而FytoScope LED光源植物培養箱是由植物生理科學家直接參與設計的，才是真正用於精確科研實驗的植物培養箱。
1.光源
眾所周知，光是植物生長中最重要的環境因子之一，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，調節其發育過程。植物在它的整個生命周期中始終處於一個不斷變化的光環境中，在長期的進化中，植物不僅適應了光環境的變化，而且還能相互影響而改變周圍的光環境。因此，培養箱光源就是決定其品質最重要的部分。
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最大，而520～610nm(綠色)的光線被植物吸收的比率很低(閆新房，2009)。
圖1. FytoScope LED光源的單色光光譜
LED(1ight—emitting diodes)，即發光二極體的一大特點就是可以發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就被用於植物培養。
圖2.不同光源光譜圖，上左：太陽光;上中：白熾燈;上右：螢光燈(日光燈);下左：滷光燈;下中：冷白光LED;下右：暖白光LED
但在很多研究中，科學家希望儘量模擬自然太陽光來培養植物。由圖2中可以看到白熾燈和螢光燈雖然發出的都是白光，實際上其光譜都與太陽光譜有很大差異。與太陽光譜最為類似的就是滷光燈和白光LED。但是，滷光燈由於有相當一部分能量都用於發射植物不能利用的750-2600nm波段近紅外輻射。美國GE公司的資料指出這部分能量佔到總輻射能量的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的植物造成損傷。而LED光源的一大優點就是發熱量極少。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660 Bin左右的紅光，Pfr吸收波長為730nm左右的遠紅光。光敏色素調節多種不同植物對光的反應，包括光周期，種子萌發、展葉、下胚軸伸長和脫黃化。隱花色素則吸收藍光和紫外光範圍的光波。
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最佳的光質，同時滿足植物光形態建成的需要。另外，FytoScope可以提供綠光LED與紅藍LED組成三原色光源系統，通過調整三原色的比例，能夠發出可見光譜中任意一種顏色的光，用於不同光質對植物影響的研究。FytoScope也可以定製其他顏色的單色光。
2)光強
白熾燈、滷鎢燈光效為12-24lm/W，螢光燈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發光源光效可達到300lm/W。
FytoScope LED光源植物培養箱可以在30-50cm的距離上實現最大2000μmol(photons)/m2.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需求，並能夠進行各種高光/低光脅迫實驗。
3)光源與溫溼度的調控
傳統光源中，螢光燈不能調控光強，只能通過增加或減少燈管數量來粗略控制光強，並不能進行精確實驗。白熾燈、滷鎢燈雖然可以調節光強，但是由於光譜、光輻射升溫等原因，並不是很適用於植物培養。
FytoScope可以分別精確控制每種單色光的光強、光照時間，並可以通過軟體實現動態變化，模擬晝夜周期變化、日升日落等自然界中光環境變化，以及其他各種任意變化。同時溫溼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軟體中編制的晝夜周期，並模擬日升日落
4)LED光源的其他優點
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節能高效，耗電量僅為白熾燈的八分之一，螢光燈的二分之一;
③可以在極短時間內發出脈衝光，響應時間快;
④體積小、結構緊湊、穩定性強;
⑤無汙染，作為全固體發光體，不含金屬汞、耐衝擊、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50 000小時以上，是普通照明燈具的幾十倍。
2.培養氣體成分控制
傳統培養箱只能給植物提供自然環境中的空氣。但對於很多研究溫室效應或者其他氣體對植物影響的科學家，他們需要精確控制培養植物的氣體組分。FytoScope配備了GMS150高精度氣體混合系統，可控制最多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。系統中內置高精度質量流量計，調控精度高於±2%，穩定性高於±0.1%。在研究溫室效應時，可以將CO2濃度精確控制到ppm級。
圖5. 配備GMS150高精度氣體混合系統的FMT150藻類培養與在線監測系統
3.植物生理生態監測
傳統培養箱只能對植物進行一般性培養，並不能在培養過程中自動獲得植物生長相關的生理生態監測數據，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過程造成幹擾。
FytoScope配備了MP100葉綠素螢光自動監測儀。MP100內置有目前國際上螢光研究的幾乎所用測量程序，包括Ft、QY、OJIP、NPQ、光響應曲線。可以用於光合活性研究、自然環境條件下植物光合能力的長期監測、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實時監測植物螢光生理指標，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，而不同於傳統培養箱僅僅是培養實驗材料的工具。
圖6. FytoScope配備的MP100葉綠素螢光自動監測儀
二、FytoScope LED光源植物培養箱技術參數
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：
§ FS 130：124L
§ FS 360：290L
§ Reach-In FytoScope：1600L
§ Step-In FytoScope：3400L/4400L
§ Walk-In FytoScope：超大型版，尺寸可定製，可與PlantScreen植物表型成像分析系統組合成為更先進的研究分析系統。
圖7.上左：FS 130;上中：FS 360;上右：Reach-In FytoScop;下左;Step-In FytoScope;下右：與PlantScreen植物表型成像分析系統組成聯合系統的Walk-In FytoScope
其他技術參數(以FS130為例)
§ LED光源(兩種標準光模塊，可定製其他光源)：
1.WIR 光源(白+遠紅光 LEDs;冷白光或暖白光)，共112顆LED
冷白光：0-1500μmol(photons)/m2.s
暖白光：0-500μmol(photons)/m2.s
最大光強升級(可選)：2000μmol(photons)/m2.s(冷白光)1000μmol(photons)/m2.s(暖白光)(距光源30cm處測量)
2.RGBIR光源(紅光+綠光+藍光+遠紅光LEDs)，共336顆LED
總光強：0-1500μmol(photons)/m2.s，
紅光627nm：500μmol(photons)/m2.s
綠光530nm：500μmol(photons)/m2.s
藍光470nm：500μmol(photons)/m2.s
總光強升級(可選)：2000μmol(photons)/m2.s(距光源30cm處測量)
§ 環境條件自動控制：精準控制光照模式、光照強度、溫度和時間
§ 溫度控制範圍：+15℃至+50℃(最大光照)，+7℃至+50℃(無光照)
§ 溫控升級(可選，不可同時選光源升級)：+7℃至+55℃(最大光照)，可定製更大的溫控範圍
§ 相對溼度調控範圍(可選)：40%~80%
§ 葉綠素螢光監測模塊(可選)：可自動監測葉綠素螢光參數Ft、QY
§ 高精度氣體混合系統(可選)：可控制最多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、FytoScope LED光源植物培養箱應用案例
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Halimione portulacoides和C4植物海岸米草Spartina maritima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也能夠精確控制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螢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中的葉綠素螢光監測儀來測量OJIP曲線、Fv、QY、ABS/CS、TR0/CS、ET0/CS等十餘項螢光參數來分析對光合系統的影響(圖9)。
圖9.兩種植物在不同CO2條件下的OJIP動力學曲線
最後，Duarte認為鹽沼會通過水體的氧化作用與吸收過量CO2的酸化緩衝作用，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Juncus acutus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J. acutus，測量發芽率、乾重等生長指標(圖10)。又用FP100葉綠素螢光測量儀來分析Zn對其光合系統的損傷(圖11)。
圖10.J. acutus在不同濃度Zn中的發芽情況
圖11.J. acutus在不同濃度Zn中的OJIP動力學曲線
Santos最終的結論是表現出了J. acutus對高濃度Zn的高耐受性，同時能夠抵禦Zn對葉綠體膜造成的過量氧化物積累的傷害。因此，J. acutus可以用於對陸地和水體的重金屬汙染生態修復。
3.高光脅迫
Domingues研究了硅藻Phaeodactylum tricornutum對高光照造成的光氧化脅迫的響應機制(Domingues，2012)。發現將低光適應(40μmol(photons)/m2.s)後的硅藻進行高光(1250μmol(photons)/m2.s)照射，會產生非光化學淬滅(NPQ)的快速響應(圖12)。而且高光照對最大量子產額(Fv/Fm)造成了和林可黴素相同的效果，即活性PSII反應中心的顯著減少。
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抑制靶蛋白D1，並激活D1修復循環來限制光抑制。
參考文獻：
1. 閆新房等，2009，LED光源在植物組織培養中的應用，中國農學通報，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. 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
4. Santos D, et. al, 2014, Unveiling Zn hyperaccumulation inJuncus acutus: 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
5. Domingues N, et. al, 2012, Response of the diatomPhaeodactylum tricornutumto photooxidative stress resulting from high light exposure, PLoS one, 7(6): e38162