植物(wù)生長(cháng)箱培養條件的選擇

植物(wù)生長(cháng)箱和步入式植物(wù)生長(cháng)室是高校、研究所和企業等機構廣泛應用(yòng)的實驗室設備，主要用(yòng)于組織培養、植物(wù)生長(cháng)和昆蟲培養研究等，是植物(wù)遺傳和基因工(gōng)程、作(zuò)物(wù)遺傳育種改良、生理(lǐ)生态學(xué)、植物(wù)抗逆性研究等領域重要的研究工(gōng)具(jù)。

本文(wén)中(zhōng)植物(wù)生長(cháng)箱指的是Reach-In Plant Growth Chamber，步入式植物(wù)生長(cháng)室指的是Walk-In Plant Growth Chamber。

▲ 植物(wù)生長(cháng)箱及步入式植物(wù)生長(cháng)室的多(duō)種用(yòng)途

在選擇植物(wù)生長(cháng)箱和步入式植物(wù)生長(cháng)室時，溫度和光照基本上是首要考慮的必要條件，然後是濕度和CO2等。以下主要介紹植物(wù)生長(cháng)箱和步入式植物(wù)生長(cháng)室溫度性能(néng)的選擇，以及幾種常見的植物(wù)生長(cháng)燈光源。

▲ 植物(wù)光合作(zuò)用(yòng)和Aralab簡便人性化的參數控制面闆

▌ 溫度：

不同植物(wù)自有(yǒu)其生長(cháng)适宜的溫度。想要在實驗室植物(wù)生長(cháng)箱中(zhōng)模拟植物(wù)生長(cháng)所需的溫度，是簡單的又(yòu)是複雜的。簡單是因為(wèi)植物(wù)有(yǒu)其最适宜的生長(cháng)溫度，将植物(wù)生長(cháng)箱設定為(wèi)這一溫度值即可(kě)，會較快的促進植物(wù)生長(cháng)。

複雜主要是因為(wèi):

（一）溫度控制并不是線(xiàn)性的，當下比較主流的兩種溫度控制方式為(wèi)比例積分(fēn)微分(fēn)和模糊邏輯控制原理(lǐ)。如果要真正精(jīng)确地模拟自然的溫度條件，溫度的精(jīng)度及均勻性是必須要考慮的。例如在某一時間段設定溫度為(wèi)20℃，其溫度值不可(kě)能(néng)會完全穩定在20℃，肯定會有(yǒu)一定的溫度波動，而波動的大小(xiǎo)則決定了溫度的精(jīng)度。比如波動+/-0.5℃，即溫度的範圍為(wèi)19.5℃~20.5℃；和波動+/-1℃，即溫度的範圍為(wèi)19℃~21℃，則代表了植物(wù)生長(cháng)箱性能(néng)和控制能(néng)力的不同。又(yòu)比如，在某一時間段設定溫度為(wèi)20℃和光照強度為(wèi)250 µmoles/m²s。但是發現培養一段時間後，擱闆不同位置的植物(wù)生長(cháng)情況不一，可(kě)能(néng)是外面靠門的植株較高、枝葉很(hěn)綠；而裏面的植株較矮、枝葉發黃。當然這與光照的分(fēn)布有(yǒu)很(hěn)大關系，另外溫度的不均勻性也會在一定程度上産(chǎn)生較大影響。比如均勻性+/-1℃，即某一時間點，擱闆不同位置溫度的範圍為(wèi)19℃~21℃；和均勻性+/-2℃，即溫度的範圍為(wèi)18℃~22℃，則代表了植物(wù)生長(cháng)箱性能(néng)和控制能(néng)力的不同。

（二）植物(wù)的生長(cháng)環境都有(yǒu)一定的規律，除了春夏秋冬四季和各個氣候帶之分(fēn)，每天24小(xiǎo)時的溫濕度也是在不斷變化的，比如早上6點時5℃，中(zhōng)午12點時30℃，晚上8點時10℃。如何更準确地模拟一天24小(xiǎo)時植物(wù)生長(cháng)環境的溫度變化呢(ne)？這需要植物(wù)生長(cháng)箱具(jù)有(yǒu)較強大的控制能(néng)力，可(kě)以模拟不同時間段的溫度。更強大的功能(néng)則是溫度均勻增加或減少的功能(néng)，因為(wèi)自然環境中(zhōng)溫度的升高或降低是連續的、較均勻的。

▲ 溫度均一性和均勻性變化測試

▌ 光照：

光作(zuò)為(wèi)環境信号作(zuò)用(yòng)于植物(wù)，是影響植物(wù)生長(cháng)發育的衆多(duō)外界環境（光、溫度、水、CO2、礦物(wù)質(zhì)等）中(zhōng)最為(wèi)重要的條件。其重要性不僅表現為(wèi)光合作(zuò)用(yòng)對植物(wù)體(tǐ)的建成的作(zuò)用(yòng)上，光還是植物(wù)整個生長(cháng)和發育過程中(zhōng)的重要調節因子，是貫穿植物(wù)體(tǐ)後期生長(cháng)發育整個過程的。

實驗室植物(wù)生長(cháng)箱中(zhōng)是通過不同的燈來模拟不同光照的，常見的有(yǒu)傳統白熾燈、熒光燈、LED燈、金屬鹵素燈等。1868年，俄羅斯植物(wù)學(xué)家AndreiFamintsyn，是第一個将人造光用(yòng)于植物(wù)生長(cháng)和研究的人。

植物(wù)生長(cháng)燈光照強度的衡量通常使用(yòng)的單位是µmoles/m²/s，即光量子通量密度，一般是用(yòng)來測量光合有(yǒu)效輻射的。太陽輻射中(zhōng)能(néng)被綠色植物(wù)用(yòng)來進行光合作(zuò)用(yòng)的那部分(fēn)能(néng)量稱為(wèi)光合有(yǒu)效輻射，即Photosynthetically Active Radiation，簡稱PAR。它是形成生物(wù)量的基本能(néng)源,直接影響着植物(wù)的生長(cháng)、發育、産(chǎn)量和産(chǎn)品質(zhì)量。PAR有(yǒu)三種計量系統：

1）光學(xué)系統，用(yòng)光照度(lux)來度量，這種系統是以人眼對亮度的響應特征為(wèi)基礎的；
2）能(néng)量學(xué)系統，用(yòng)某一特征波長(cháng)範圍内即光合有(yǒu)效波段内的輻射通量密度(Wm-2)來度量；
3）量子學(xué)系統，用(yòng)光量子通量密度(µmoles/m²/s)來度量，太陽直接輻射光量子通量的氣候學(xué)計算方法。

所以一般照明燈具(jù)的光照度的單位使用(yòng)的是Lux，而植物(wù)生長(cháng)燈光照強度通常使用(yòng)的是µmoles/m²/s這一單位。

以下介紹幾種常見的植物(wù)生長(cháng)燈種類：

1、白熾燈：白熾燈是一種熱輻射光源，最接近于太陽光色，顯色性好，光譜均勻而不突兀。白熾燈（包含鹵素燈）的光譜是連續而且平均的。但在所有(yǒu)的照明燈中(zhōng)，白熾燈的效率幾乎是最低的。它所消耗的電(diàn)能(néng)隻有(yǒu)約2%可(kě)轉化為(wèi)光能(néng)，而其餘部分(fēn)都以熱能(néng)的形式散失了。至于使用(yòng)壽命，通常不會超過1000小(xiǎo)時，鹵素燈就比一般的白熾燈要長(cháng)很(hěn)多(duō)。所以白熾燈作(zuò)為(wèi)植物(wù)生長(cháng)燈并不算多(duō)。

2、熒光燈：也叫日光燈，是一種較常見的植物(wù)生長(cháng)燈，其中(zhōng)使用(yòng)最多(duō)的是冷白熒光燈。傳統型熒光燈即低壓汞燈，是利用(yòng)低氣壓的汞蒸氣在通電(diàn)後釋放紫外線(xiàn)，從而使熒光粉發出可(kě)見光的原理(lǐ)發光，因此它屬于低氣壓弧光放電(diàn)光源。普通熒光燈管塗鹵素熒光粉，填充氩氣、氪氩混合氣體(tǐ)。相比白熾燈，發熱量小(xiǎo)很(hěn)多(duō)，發光效率高很(hěn)多(duō)，使用(yòng)壽命高于白熾燈、低于LED燈，約15000小(xiǎo)時；但是熒光燈管顯色性能(néng)較低，光譜分(fēn)布非常不均，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小(xiǎo)于太陽光，不屬于高效節能(néng)電(diàn)光源。熒光燈的光照強度組合可(kě)以達到200~450µmoles/m²/s，适合組織培養、拟南芥研究等應用(yòng)。

▲ 一種冷白熒光燈的光譜圖和應用(yòng)

3、LED燈：其中(zhōng)使用(yòng)最廣泛的是白色LED燈，用(yòng)于模拟太陽光照。相對于熒光燈，白色LED燈具(jù)有(yǒu)更全的光譜範圍，且發熱量更小(xiǎo)，光照強度也要高一些，組合可(kě)達到200~1000µmoles/m²s甚至更高的光照強度。此外，白色LED燈的能(néng)耗僅為(wèi)白熾燈的1/10，壽命可(kě)達5萬小(xiǎo)時以上，抗震性也較好，而且不含鉛汞等，綠色環保。

▲ 一種白色LED燈光譜圖和應用(yòng)

當前的技(jì )術可(kě)以使LED燈發出白、紅、黃、藍、綠、青、橙、紫等多(duō)種顔色。而在植物(wù)培養領域使用(yòng)的除了白色，還有(yǒu)紅、綠、藍和遠(yuǎn)紅等LED光源。其中(zhōng)：

• 藍光（400~500 nm），可(kě)增強光合作(zuò)用(yòng)和葉綠素的合成，防止植物(wù)徒長(cháng)，另一方面抑制植物(wù)根莖細胞和器官的伸長(cháng)，比較适合多(duō)肉植物(wù)、莖葉類，所有(yǒu)植物(wù)小(xiǎo)苗育苗，鐵皮石斛植物(wù)使用(yòng)。

• 紅光（600~700 nm），促進植物(wù)生長(cháng)、發芽、開花(huā)、結果，在植物(wù)增色中(zhōng)起着主導作(zuò)用(yòng)，促進植物(wù)光和作(zuò)用(yòng)，更适合花(huā)卉、果實、菜溫室補光。

• 遠(yuǎn)紅光（700~800 nm），用(yòng)LEDs補充遠(yuǎn)紅輻射（發射峰734nm）使花(huā)色素苷、類胡蘿蔔素和葉綠素含量降低，而使植株鮮重、幹重、莖長(cháng)、葉長(cháng)和葉寬增加。補加FR對生長(cháng)的促進作(zuò)用(yòng)可(kě)能(néng)是由于葉面積增加而導緻的對光吸收的增加。低R/FR條件下生長(cháng)的拟南芥比高R/FR下生長(cháng)的植物(wù)葉片大而厚、生物(wù)質(zhì)數量大，冷适應能(néng)力強。不同比例的R/FR還可(kě)以改變植物(wù)的抗鹽性。

▲ 白、紅、藍三色光植物(wù)生長(cháng)箱

▲ 藍光、紅光、遠(yuǎn)紅光光譜圖

4、高性能(néng)LED燈：高性能(néng)LED燈的光照強度相對于一般白色管狀LED燈要更高。國(guó)際上高性能(néng)LED燈使用(yòng)較多(duō)的是芬蘭的Valoya，專注于植物(wù)生物(wù)學(xué)研究，世界上最大的10家農業公(gōng)司中(zhōng)有(yǒu)8家已經在使用(yòng)Valoya的光源方案。不同的數量的Valoya LED燈組合方案可(kě)實現不同的光照強度，從300、600、800~1200µmoles/m²/s，甚至更高的光照強度。

▲ 白色Valoya LED燈

Valoya LED研發了不同的光譜配方種類，适用(yòng)于不同的植物(wù)生長(cháng)應用(yòng)。如AP67光譜配方：促進植物(wù)成長(cháng)與開花(huā)；AP673L：促進植物(wù)生長(cháng)發育；G2/NS1/NS12：增進春化作(zuò)用(yòng)過程；Valoya BIOMASS：用(yòng)來促進大麻種植時生物(wù)質(zhì)的産(chǎn)出；Valoya Canna+：增加大麻種植時THC的産(chǎn)能(néng)。

▲ 部分(fēn)Valoya LED光譜選項

▲ 一種Valoya LED燈及其光譜圖

5、陶瓷金鹵燈：比傳統鹵素燈光效高30%以上，壽命可(kě)達20000小(xiǎo)時，光衰慢，照明效果持久。與高壓鈉燈相比節能(néng)10%，比傳統鹵素燈節能(néng)70%，比汞燈節能(néng)150%。具(jù)有(yǒu)更高的光照強度600~1100 µmoles/m²s，發熱量也較大，需安(ān)裝(zhuāng)在單獨冷卻的玻璃燈罩内，由獨立通風口排除熱量，以保證生長(cháng)區(qū)域氣候條件穩定。适合小(xiǎo)麥、玉米、水稻、棉花(huā)、大豆、咖啡、軟木(mù)等各種常見的需要高光強的大型植物(wù)。

▲ 陶瓷金鹵燈的光譜圖和應用(yòng)

以上介紹的熒光燈和LED燈等都是固定光譜光源，現在的技(jì )術還能(néng)實現可(kě)調光譜的植物(wù)生長(cháng)燈。

6、可(kě)調光譜LED燈：瑞典的Heliospectra公(gōng)司以植物(wù)科(kē)學(xué)與園藝方面的智慧LED照明系統而聞名(míng)。以Heliospectra RX30型号為(wèi)例，其具(jù)有(yǒu)9通道波長(cháng)控制，距光源500mm處光照強度最高可(kě)達600μmoles/m2/s，同時可(kě)以在10% ~ 100%範圍内按1%步調。可(kě)單獨控制9種光譜: 380nm, 400, 420, 450, 520, 630, 660, 735nm和5700K白色；Heliospectra還可(kě)發出了系統輔助軟件來管理(lǐ)LED燈。

▲ HeliospectraRX30 可(kě)調光譜LED燈及其光譜圖

▌ 光照強度調節：

不同種類的植物(wù)生長(cháng)燈，除了光源種類、色溫和顔色不同之外，光照強度的調節能(néng)力也不同。現階段燈管光照強度的調節，基本上可(kě)以達到1%的步調能(néng)力，像熒光燈和LED燈可(kě)以在10%~100%範圍内調節光強，陶瓷金鹵燈可(kě)以在30%~100%範圍内調節。這樣可(kě)以使一台植物(wù)生長(cháng)箱滿足不同的需求，實現一機多(duō)用(yòng)和更高的使用(yòng)率。例如，一台植物(wù)生長(cháng)箱的最大光強為(wèi)600 +/-10% µmoles/m²s，光照強度可(kě)以按1%步調，當光照強度調節為(wèi)30%~50%左右時，可(kě)以用(yòng)于組織培養、拟南芥研究等；當光照強度調節為(wèi)100%左右時，可(kě)以用(yòng)于需要更高光照強度的植物(wù)的培養。當然這與植物(wù)生長(cháng)箱的性能(néng)和控制能(néng)力有(yǒu)直接關系，有(yǒu)的植物(wù)生長(cháng)箱光照控制隻能(néng)開和關，有(yǒu)的隻能(néng)進行3級或5級控制。

如果想要更加準确地模拟自然環境光照的變化，同溫度控制類似，植物(wù)生長(cháng)箱需要具(jù)備光照強度均勻增大或減小(xiǎo)的功能(néng)，因為(wèi)自然環境中(zhōng)溫度的升高或降低是連續的、較均勻的。這種控制能(néng)力使得研究人員可(kě)以為(wèi)植物(wù)生長(cháng)箱設計更加複雜的程序，不僅可(kě)以模拟春夏秋冬四季和各個氣候帶，還可(kě)以模拟每天24小(xiǎo)時不同時間點的光照強度。

▌ 燈管安(ān)裝(zhuāng)位置：

關于植物(wù)生長(cháng)燈，除了光源種類、光照強度大小(xiǎo)及可(kě)調性、固定或可(kě)調光譜，燈管的安(ān)裝(zhuāng)位置也有(yǒu)所不同。步入式植物(wù)生長(cháng)室的燈管安(ān)裝(zhuāng)位置基本上是兩種：安(ān)裝(zhuāng)在植物(wù)生長(cháng)室頂上和安(ān)裝(zhuāng)在貨架上，前者是為(wèi)了保證生長(cháng)高度和光照強度，适合需要高光照強度的中(zhōng)大型植物(wù)；後者的燈管光照強度約200~600 µmoles/m²/s範圍，适合組織培養、拟南芥研究和一些不需要高光照強度的植物(wù)的培養。

而對于植物(wù)生長(cháng)箱，燈管的安(ān)裝(zhuāng)位置選擇則更多(duō)，比較常見的是水平安(ān)裝(zhuāng)，即安(ān)裝(zhuāng)在擱闆上。其次是豎直安(ān)裝(zhuāng)，即安(ān)裝(zhuāng)在門上或内腔。豎直安(ān)裝(zhuāng)的燈管光源，距燈管近則光照強度大，否則光照強度小(xiǎo)，做相同條件的植物(wù)培養可(kě)能(néng)會造成培養結果參差不齊，做差異化培養則更加合适。

— END —

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