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。
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。
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，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—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。
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。
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：
§ 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：FS 130;上中：FS 360;上右：Reach-In FytoScop;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
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：0-1500μmol(photons)/m2.s
暖白光：0-500μmol(photons)/m2.s
最大光强升级(可选)：2000μmol(photons)/m2.s(冷白光)1000μmol(photons)/m2.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：0-1500μmol(photons)/m2.s，
红光627nm：500μmol(photons)/m2.s
绿光530nm：500μmol(photons)/m2.s
蓝光470nm：500μmol(photons)/m2.s
总光强升级(可选)：2000μmol(photons)/m2.s(距光源30cm处测量)
§ 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CO2
§ 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。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8. 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9)。
图9.两种植物在不同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。
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(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. tricornutumNPQ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. 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
