本方案描述了如何构建和操作一种小型、低成本的生长室,该生长室能够维持植物实验所需的极端二氧化碳(exCO2)水平。该系统通过基于单板计算机的监测与控制系统,结合被动式水培毛细供水系统,可在与太空飞行相关的环境条件下,开展微绿植生理学的可重复研究。
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本方案描述了如何构建和操作一种小型、低成本的生长室,该生长室能够维持植物实验所需的极端二氧化碳(exCO2)水平。该系统通过基于单板计算机的监测与控制系统,结合被动式水培毛细供水系统,可在与太空飞行相关的环境条件下,开展微绿植生理学的可重复研究。
载人航天器内的二氧化碳(CO2)浓度通常超过 3,000 ppm,显著高于地球大气中的浓度。长期暴露于高于 3,000 ppm 的极端 CO2(exCO2)环境会改变植物的生长、生理特性及营养成分。然而,目前很少有实验系统能够可靠地重现此类 exCO2 浓度。本方案描述了一种易于实现且成本较低的方法,用于构建可维持植物实验所需稳定 CO2 浓度高于 3,000 ppm 的台式生长舱。
通过改造台式培养箱,加装气密性电缆和气体接头、自动化的 CO2 输送与排气系统,以及集成的温度、湿度和压力传感器,构建出该培养舱。系统由低成本的单板计算机控制,采用开源 Python 代码,通过调节电磁阀向舱内注入 CO2 或排气,以响应系统读数,从而维持目标 CO2 浓度。定制的被动吸水盒可在无需人工浇水的情况下维持植物生长,减少了开启培养舱的频率,从而最小化 CO2 浓度的波动。
利用该系统,我们成功在“环境CO2”(最低400 ppm)和“类似国际空间站的高浓度CO2”(最低3,000 ppm)条件下培育了两种微绿植物:萝卜(Raphanus sativus,一种C3植物)和苋菜(Amaranthus cruentus,一种C4植物)。在10至14天的生长周期中,培养舱始终保持稳定的CO2浓度、温度和湿度。这一可重复、与航天任务相关的CO2系统为研究植物对极端大气环境的响应以及为空间飞行实验的前期准备提供了便捷的工具。
在长期太空任务中,植物将通过促进食物生产、满足营养需求以及提升心理健康,在维持人类生命方面发挥至关重要的作用1。然而,载人航天器或未来设想的栖息地的大气组成与地球环境存在显著差异。国际空间站(ISS)的二氧化碳(CO2)浓度通常超过3,000 ppm(百万分之一),几乎是地球环境浓度的十倍2。国际空间站的CO2浓度甚至曾高达6,500 ppm。这种极端CO2(exCO2)水平会影响植物的生理、形态和营养成分。然而,这些exCO2浓度超出了大多数增高的CO2实验的研究范围——此类实验通常集中在700 ppm至1500 ppm之间,实际上也超出了大多数地面植物生长箱所能维持的范围。因此,此类极端条件下植物的响应仍缺乏充分表征。因此,深入了解植物对与太空飞行相关的exCO2水平的响应,对于确保空间农业和生物再生生命支持系统的成功至关重要。
近年来,由于芽苗菜生长迅速、占地面积小且营养密度高,已成为宇航员营养供给的潜在理想作物3,4。这类短生长周期作物可提供新鲜的维生素和抗氧化物质,而这些成分在长期储存的航天口粮中会逐渐降解。目前配制的宇航员膳食在长期储存后表现出显著的营养流失。在室温下储存三年后检测发现,维生素C和维生素B1已降至推荐水平以下,维生素A和维生素B6也出现中等程度的下降5。因此,在持续数年的太空任务中,获取新鲜、富含营养的芽苗菜有助于维持航天员的健康。以往在中等升高CO2浓度(800–1,000 ppm)条件下的研究表明,植物倾向于积累更多富碳化合物,包括碳水化合物、类黄酮和维生素C,同时减少蛋白质等富氮化合物的含量6,7。其他研究还观察到种子结实率降低、光合作用相关酶表达改变以及元素组成的变化,尤其是铁、锌和镁含量的减少8。这些成分变化表明,碳源(以CO2形式)的可利用性改变了碳氮之间的平衡,从而影响了初级和次级代谢过程。因此,CO2浓度升高可能对作物的营养价值产生影响,而这一点对于长期太空任务中航天员的健康至关重要。
人们对植物如何响应极端高浓度二氧化碳(exCO₂)的了解要少得多2 在航天器环境中遇到的浓度水平,国际空间站(ISS)上的浓度可超过 3,000 ppm。已有空间飞行及地面模拟研究报道,在此类条件下植物出现生长异常,包括叶片扩展受限、萎黄症以及生长速率改变。2,9,10例如, 芸苔属萝卜(Brassica rapa) 在中国台湾空间站(ISS)上种植的植物表现出叶片发黄且尺寸减小的现象,这归因于极端二氧化碳(exCO₂)环境。2 而非微重力效应9这些观察结果强调了植物对高浓度二氧化碳(exCO₂)的响应2 水平并非仅仅基于中等程度升高 CO 的效应推断而来2 而是表明存在不同的生理和代谢紊乱。然而,很少有陆基生长系统能够维持稳定的高浓度二氧化碳(exCO₂)水平2 水平,使得在实验中持续复现航天器环境或在如此极端的大气条件下测试植物基因型变异具有挑战性。
为解决这一局限,我们开发了一种小型、低成本的培养舱,可维持稳定且可编程的高浓度CO₂环境2 模拟航天器大气的水平(图1该系统通过改造台式培养箱并集成传感器和电磁阀构建而成,由一个带有可编程引脚的低成本单板计算机(SBC)进行控制。该设计实现了二氧化碳的自动化调控2 环境参数的调控与连续监测,包括温度、湿度和压力。为防止快速 CO2 为减少因频繁开门导致的消耗,我们采用了一种被动式水培毛细系统,可在无需额外补水的情况下支持微绿植长达14天的生长。该封闭式设计在提供稳定大气环境的同时,最大限度减少了外界干扰。
本文详细介绍了一种可重复的实验方案,用于构建和运行极端二氧化碳(exCO2)植物生长舱,并在受控的、与太空飞行相关的大气条件下培育微绿蔬菜。该方案包括安装气密性电缆和气体穿壁接口、二氧化碳注入与通风系统、将传感器连接至单板计算机(SBC)、编写exCO2控制程序代码,以及组装被动式水培毛细吸水系统。利用该装置,我们成功在环境CO2和国际空间站(ISS)类似的exCO2条件下培育了两种微绿蔬菜:萝卜(Raphanus sativus,一种C3植物)和苋菜(Amaranthus cruentus,一种C4植物)。该平台为研究植物对极端大气环境的响应以及为空间飞行实验的前期准备提供了一种经济、可扩展的解决方案。
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1. 通过台式培养箱背面安装电缆和传感器,并使用硅酮密封剂密封(图2)
2. 构建 CO2 处理系统(图5)
注意: CO₂2 处理系统调节舱内的气体浓度。 当 CO2 当浓度低于设定值时,单板计算机(SBC)会触发电磁阀释放短时脉冲的 CO2 进入腔室。当 CO2 当浓度超过设定值时,排气电磁阀会短暂开启,以排出腔室内的空气。一个2.75 L/min的隔膜空气泵使空气在系统中循环。
3. 构建植物生长灯
4. 在单板计算机上安装用于控制生长舱及报警系统的软件
5. 构建被动式水培毛细系统(图12)
注意:每个被动式水培毛细系统使用一个无菌的 1,000 µL 移液器吸头盒,盒内配有可拆卸插件,插件上安装有带流苏的毛毡灯芯,可将营养液从底部储液槽输送至种子处。
6. 准备微绿植实验的材料
7. 进行微绿植实验
注意:至少同时运行两个培养室,一个置于极端二氧化碳(exCO2)条件下,另一个置于环境条件作为对照。在重复实验中交替不同培养室的处理方式,以尽量减少培养室偏差。使用抛硬币或随机数生成器为每个培养室随机分配处理方式。在以下实验中,将处理方式在不同培养室之间进行交换。
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成功改造了两个台式培养箱,以维持适合微绿植生长实验的可编程 CO2 浓度。在每次实验运行中,一个培养箱被设定为维持“类似国际空间站的高浓度 CO2”环境(最低 3000 ppm),另一个则设定为“室内常现 CO2”环境(最低 400 ppm)。我们分别种植了萝卜和苋菜微绿植,生长时间分别为 10 天和 14 天(图 13)。每种处理重复六次,并交替使用两个培养箱作为高浓度 CO2 环境或对照环境,以避免因特定培养箱带来的偏差。
SBC 控制系统记录了 CO2 浓度、温度、相对湿度和气压,记录间隔为每分钟一次。CO₂2 调控系统维持了目标浓度,即使在3,000 ppm时也是如此(图14 和 图15)。在萝卜实验中,总体平均 CO2
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本方案提供了一种可重复且低成本的方法,用于在极端二氧化碳(CO2)浓度下培养植物2 (极端CO₂2) 浓度约为 3,000 ppm,与国际空间站上的水平相当2该系统通过改造台式培养箱,将基于单板计算机(SBC)的环境控制与被动式水培生长系统相结合,可在无需人工浇水或开启培养舱的情况下支持植物生长长达两周。该方法填补了地面实验室模拟与航天任务相关的大气极端条件时长期存在的资源空白。传统的植物生长舱极少能够维持 CO2 2,000 ppm 以上的水平9,使这一小型系统成为研究植物对高浓度二氧化碳生理响应的便捷替代方案2 条件。
关键步骤包括确保培养室的密封性、保持严格的卫生条件、优化水培盒以确保良好的毛细吸水和高效发芽,以及在每次实验开始前和过程中验证所有传感器和电磁阀均正常工作。电缆接头或管路连接处即使存在微小漏气,也会导致 CO2 快速流失和浓度调控不稳定。在启动植物实验前,必...
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所有作者均无与上述工作相关的利益冲突。
我们感谢本科研究助理 Makayla Destafino、Emily Dettmer 和 Ellie Saltier 在培养基制备、种子灭菌和植物测量方面提供的帮助。感谢北卡罗来纳州立大学植物生长室技术团队提供的工具、物资和建议。本研究由美国国家航空航天局(NASA)资助(项目编号:80NSSC23K0344)以及授予 Samantha Rueckeis 的本科阶段北卡罗来纳州太空拨款奖学金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
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| 24 V 灯光电源供应器 | 明纬 | LPV-35-24 | 根据灯具规格使用相应的电源供电。 |
| 25 mL 量筒 | Cole Parmer | UX-34502-70 | 用于测量种子消毒液的液体体积。 |
| 250 mL 玻璃量筒——高压灭菌以灭菌 | Fisher Scientific | https://www.fishersci.com/shop/ 产品/派热克斯圆筒单件 白色搪瓷,公制刻度 ns-18/085524D | 用于加载水培盒时测量 MS 培养基,品牌不限。 |
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| 数字压力计(可选) | 亚马逊 | https://www.amazon.com/Pressure -连接器-保护器-Uharbour-0- 200psi/dp/B0783PYQ27 | 读取低压减压调节器的压力设定值 需要 AAA 电池。或者,您可以使用无需电源的模拟仪表。 |
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| Luer 锁扣转 3/16 英寸软管接头 - 聚丙烯 - 阴性 | 亚马逊 | https://www.amazon.com/Femal e-Luer-Lock-4-8mm-Hose/dp/B08GQDBY46/ | 用于将频繁更换的部件连接到管路。 |
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| 磁力搅拌子(可选) | Millipore Sigma | Z282456 | 与搅拌板一起使用以混匀MS培养基。也可使用勺子替代。 |
| 磁力搅拌器(可选) | Fisher | S194615 | 用于溶解培养基中的盐类。 也可以使用勺子。 |
| MS盐 | 舱室 | MSP01 | 用作水培溶液,稀释至0.25倍。 |
| 尖嘴钳 | Grainger | 2078216 | 用于焊接时固定导线 |
| 丁腈手套 | 杰尼塞 | https://www.geneseesci.com/ 产品/全基因型丁腈手套- 无粉/ | 处理漂白剂及进行无菌操作时用于保护双手。品牌不限。 |
| O2 流量计 | JIAWANSHUN | https://www.amazon.com/JIAW ANSHUN-0-1-1-5LPM-流量计 -连接器-Conectrator/dp/B01N0UWZ2T | 用于控制 CO2 流入培养室。 |
| 移液器 - 20 µL 以及提示 | Millipore Sigma | EP3124000040-1EA | 用于测量 TritonX 以进行种子灭菌。 品牌不重要。 |
| 塑料保鲜膜 | 开市客 | https://www.costco.com/p/-/kirkl 和签名拉伸紧塑 c-food-wrap-12-in-x-3000-ft/100300513 | 用于种子萌发期间覆盖盒子,以增加湿度并促进植物定植。 |
| 塑料 peg 板(19"D × 5"W × 12"H) | Amazon | https://www.amazon.com/SWAN LAKE-塑料- pegboard-面板 -车库/dp/B0BGS3C41N/ | 组件、导线和管路固定在钉板上,以便于移动和整理。 确切品牌无关紧要。 |
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| 精密数字天平 | Fisher | FB30786159 | 用于测量 MS 盐和 MES。 |
| 1/4 英寸快接转 1/4 英寸 NPT | 亚马逊 | https://www.amazon.com/CE KER-Connect-接头-气动 matic-Connectors/dp/B07XBHYP3B/ | 用于连接1/4英寸管路与气瓶减压阀 |
| 3/8 英寸 NPT 快插弯头 | 亚马逊 | https://www.amazon.com/Q olekog-气动连接 t-PL-3-8-N2/dp/B0B59JXMRW/ | 用于连接1/4英寸管路与减压阀(可根据您的装置配置选择使用直通接头) |
| 推入式T型连接器 - 1/4英寸 | 亚马逊 | https://www.amazon.com /dp/B07TV3JS9Q/ | (可选)用于从 1/4 英寸管路分接时使用2 两个舱室之间的储气罐 |
| 大线径电线用快速接头 | XHF | B086J49D1J | 可选,但有助于临时连接导线。 |
| Raspberry Pi 4 2 GB 入门套件 - 32 GB | Canakit | PI4-2GB-STR32F-C4-BLK | 控制传感器和继电器。 购买套件时价格为 110 美元。 |
| 树莓派操作系统 | Raspberry Pi 基金会 | https://www.raspberrypi. com/软件/ | 树莓派操作系统 |
| RealVNC Viewer | RealVNC | https://www.realvnc.com/en/ 连接/下载/查看器/树莓派 | 用于远程监控树莓派读数。 |
| 红宝石苋种子 | 玛丽的传家宝种子 | https://www.marysheirloomseeds .com/products/red-garnet-amaranth | 确保种子来自近期的种子批次。 |
| 红王 F1 萝卜种子 | Johnny's Seeds | https://www.johnnyseeds.com/ 蔬菜/萝卜/大根红 红萝卜/红王2号F1 dish-seed-4173.html | 确保种子来自近期的种子批次。 |
| 继电器 | uxcell | ASH-10 DD | 控制电磁阀和光源电源。 |
| SA-20 消毒剂 | 南方农业公司 | #10501 | 植物培养箱用杀菌清洁剂 避免喷洒在电子部件上。 |
| 安全眼镜 | Fisher Scientific | 19-130-2089 | 建议佩戴护目镜以保护眼睛。品牌不限。 |
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| 小型显示器,带 HDMI 接口(可选) | 亚马逊 | https://www.amazon.com/LON CEVON-7-Raspberry-1024X6 00-扬声器-耳机/dp/B06XQJVXHL/ | 可选,但在设置或监控树莓派时有时会有所帮助。建议使用您可能已有的 HDMI 电脑显示器,但如果需要,我们也提供一种经济实惠的选项链接。 |
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| 不锈钢管接头 - 外径20 mm,内径16 mm,长2.5 cm(3/8英寸 x 3/8英寸内螺纹NPT) | 亚马逊 | https://www.amazon.com/ gp/aw/d/B08SCL8VRS | 用于将电缆接头穿过箱体隔热层 |
| 不锈钢管接头 - 内径8 mm/外径12 mm,长3 cm(两侧M8内螺纹) | 亚马逊 | https://www.amazon.com/ gp/aw/d/B09ZS17WYB | 用于将贯通式接头延伸穿过箱体保温层 |
| STEMMA QT / Qwiic JST SH 4针电缆 - 长50 mm | Adafruit | 产品编号:4399 | 用于将传感器相互连接。 |
| STEMMA QT / Qwiic JST SH 4针转优质公头排针线缆 - 150 mm 长 | Adafruit | 产品编号:4209 | 用于将传感器连接至树莓派。 |
| 无菌去离子水 | 现场制备 | 现场生产 | 使用L30循环对去离子水进行高压灭菌。 |
| 浪涌保护器/电源插板 | 亚马逊 | https://www.amazon.com/GE- 出风口保护延长器 B00DOMYL24 | 用于保护舱内组件免受电源浪涌损害。 |
| 聚四氟乙烯管路胶带 | 亚马逊 | https://www.amazon.com/ 英寸-水管工-管道工程 管道密封胶带/dp/B091913Z7F/ | 密封连接器的螺纹 |
| Thonny(Python IDE)——应已预装在树莓派上 | Thonny | https://thonny.org/ | 用于编辑和运行培养室控制软件。 |
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