植物培養是生物實驗室最重要的常規基礎實驗之一。以前的研究中，只要求培養系統能夠使種子萌發、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，傳統培養箱由于種種原因是遠遠不能達到要求的。

本文將系統介紹一系列基于LED光源的科研級植物培養方案，包括SL3500植物培養LED光源、FytoScope植物生長箱等。這些培養方案和儀器是由歐洲植物生理科學家直接參與設計的，才能夠真正進行精確的科研實驗。

發表文獻及應用案例
1.擬南芥葉片和植株年齡對光合能力的影響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為了研究擬南芥葉片和植株年齡對光合能力的影響，使用FytoScope生長箱模擬了長期高光適應培養過程，最高光強1800µmol(photons)/m².s。同時使用FluorCam葉綠素熒光成像系統進行不同生長階段擬南芥植物與葉片的葉綠素熒光成像測量（圖10），從而發現在擬南芥生長過程中，穩態的光合能力在逐漸上升。在高光脅迫下，老葉的適應能力要低于幼葉。

圖10. 不同葉片與同一葉片不同年齡的葉綠素熒光成像

圖11. 芬蘭赫爾辛基大學PlantScreen植物表型成像分析系統自動傳送版 + FytoScope Walk-in大型生長室


圖12. 擬南芥蓮座形態參數與生長動態

3. ABA誘導擬南芥氣孔關閉的調控通道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

氣孔的開閉與光照、溫度、濕度等環境因素密切相關，因此在其相關基因與調控的研究中，必須對這些環境因素進行精確控制。在本研究中正是使用了FytoScope生長箱精確模擬了光暗交替的培養周期，從而測量不同光暗條件下氣孔對ABA的反應（圖13）。


圖13. 光暗條件下氣孔對ABA的反應

4. 海岸帶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也能夠精確控制CO2濃度（Duarte，2014）。
 

圖14. 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MP100葉綠素熒光監測儀來測量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的影響（圖15）。


圖15.兩種植物在不同CO2條件下的OJIP動力學曲線

最后，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。

5.重金屬脅迫對種子發芽與光合生理的影響
Santos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J. acutus，測量發芽率、干重等生長指標（圖16）。又用FP100葉綠素熒光測量儀來分析Zn對其光合系統的損傷（圖17）。


圖16. J. acutus在不同濃度Zn中的發芽情況


圖17. 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修復。

6.高光脅迫對藻類的影響
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）。發現將低光適應（40µmol(photons)/m².s）后的硅藻進行高光（1250µmol(photons)/m².s）照射，會產生非光化學淬滅（NPQ）的快速響應（圖18）。而且高光照對最大量子產額（Fv/Fm）造成了和林可霉素相同的效果，即活性PSII反應中心的顯著減少。


圖18. P. tricornutum NPQ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，并激活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. 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

相關鏈接：
基于LED光源的科研級植物培養方案(一)
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