Строительство и эксплуатация недорогой камеры выращивания углекислого газа с повышенным уровнем углекислого газа для оценки физиологии микрозелени при уровнях CO2, релевантных для космических полётов
17 апреля 2026 г.
Этот протокол описывает, как построить и эксплуатировать небольшую недорогую камеру для роста, способную поддерживать экстремальные уровни углекислого газа (exCO2) для экспериментов на растениях. Камера позволяет воспроизводить воспроизводимые исследования микрозеленой физиологии в условиях атмосферы, важных для космических полётов, используя однобортную компьютерную систему мониторинга и управления и пассивную гидропонную систему введения в воздух.
Нас интересует, как экстремальные уровни углекислого газа при 3000 частях на миллион влияют на рост и питание растений. Мы хотели разработать недорогую экстремальную камеру CO2. Потому что в настоящее время немногие камеры роста могут поддерживать экстремальные уровни CO2.
Для начала установите и включите необходимое оборудование для процедуры. Протрите все неэлектронные поверхности камеры, включая стены, потолок и дверь, дезинфицирующим средством SA-20 с концентрацией 7,8 миллилитра на литр воды. Оставьте дверцу камеры открытой и дайте камере высохнуть на воздухе на ночь.
Приготовьте 0,25x базальную сольную среду MS без шнека, растворив 4,3 грамма солей MS и один грамм 2-этансульфоновой кислоты в одном литре деионизированной воды. Используйте гидроксид калия одного моляра для регулировки pH среды до 5,7. Разведите раствор до итогового объёма в четыре литра и раздайте 700 миллилитровых аликвотов в однолитровые бутылки.
Затем наполните автоклавные бутылки дистиллированной или деионизированной водой для стерилизации и промывания семян. Автоклавировать медиа MS и подготовленную воду в жидком цикле в течение 30 минут. Оберните гидропонные коробки, инструменты и контейнеры в алюминиевую фольгу.
Автоклавировать упакованные материалы в сухом цикле с 30-минутным временем высыхания. И выполните следующие шаги в ламинарном проточном капюшоне. Внутри капюшона добавьте семена редиса в 2% отбеливателя с 0,05% Triton X-100 и аккуратно встряхните семянную суспензию в течение пяти минут при комнатной температуре.
Отцечьте раствор отбеливателя из семян и промывайте семена три раза стерильной водой. После промывания замочите семена на ночь в стерильной воде, чтобы обеспечить равномерное прорастание. Затем заполните каждую гидропонную коробку стерильной средой 0,25x MS, пока поверхность фетра не будет покрыта примерно одним-двумя миллиметрами жидкости.
Проверьте, нет ли воздушного зазора между фетром и жидкостью. Используя стерильные щипцы, положите до 30 семян редиса на фетр в каждой гидропонной коробке. Аккуратно прижмите семена к фетру щипцами и убедитесь, что семена расположены по центру над отверстиями для кончиков на вставке.
Накройте каждую посаженную гидропонную коробку пищевой пленкой или стерильными крышками, чтобы поддерживать влажность во время прорастания. Установите основной регулятор углекислого газа примерно на 10 фунтов на квадратный дюйм. Теперь медленно откройте главный клапан бака с углекислым газом.
Отрегулируйте вторичный регулятор снижения от одного до трёх фунтов на квадратный дюйм. Включите камеры настольного инкубатора и установите внутреннюю температуру на 23 градуса Цельсия. Убедитесь, что внутренний вентилятор работает, и убедитесь, что он не помещён для поддержания правильной циркуляции воздуха.
Далее откройте Control_chamber_JoVE. py-код в Тонни. Проверьте наличие углекислого газа при световых настройках.
Запусти программу. Затем проверьте, правильно ли реагируют соленоиды, датчики и индикаторы. Когда среда стабилизируется, разместите крытые гидропонные коробки внутри каждой камеры.
Закрой дверь камеры. И убедитесь, что концентрация углекислого газа возвращается к заданной точке в течение трёх-пяти минут. Накройте панели дверей камеры алюминиевой фольгой или пленкой для затемняния, чтобы предотвратить световые помехи.
Открывайте крышку, чтобы ежедневно проверять растения, и читайте здесь крышку лентой после осмотра. Отслеживайте показания камеры один-три раза в день с помощью RealVNC или локально через мультимедийный дисплей высокого разрешения. Дайте семенам прорасти с покрытием влажности на три-четыре дня, пока не появится видно свинец в порыве.
Снимите увлажнительные покрытия, когда большинство корней саженцев проникли в фетровый субстрат. Оперативно отвечайте на любые электронные уведомления, генерируемые системой, и фиксируйте любые аномалии или ручные вмешательства. Продолжайте инкубацию, пока рост растений не достигнет желаемой стадии.
В конце цикла роста откройте дверцу камеры и уберите растения из камеры. Обработка растений необходима для проведения экспериментальных целей, таких как биомасса, хлорофилл или анализ питательных веществ. Остановите скрипт управления и выключите настольный инкубатор и свет.
Переименуйте Chamber_data_csv файл данных окружающей среды и скопируйте переименованный файл на флешку. Удалите конденсат с внутренней части камеры и протрите неэлектронные внутренние поверхности 70% этанола. Оставьте дверцу камеры открытой и включайте воздушный насос, пока камера и трубка не высохнут.
Наконец, откройте удлинители и закройте клапан бака с углекислым газом, чтобы предотвратить утечку и экономить газ. Микрозелень редиса достигает типичного развития через 10 дней после посадки. Система регулирования углекислого газа поддерживала целевые концентрации для окружающих и экстремальных условий углекислого газа.
Средние концентрации углекислого газа во время экспериментов с редисом составляли 618 частей на миллион для обработки окружающей среды и 3061 часть на миллион для экстремальных условий. Уровни углекислого газа в камерах редиса становились более изменчивыми в дневное время по мере увеличения массы растений, что требовало частых инъекций для поддержания концентрации. Ночное дыхание растений, повышение концентрации углекислого газа в камере редиса до пиков выше 1 200 частей на миллион.
Уровень углекислого газа снизился почти до 400 частей на миллион вскоре после начала светового периода в окружающей камере, что свидетельствует о быстром поглощении в дневное время. Температура в камере оставалась около 25 градусов Цельсия днём и близкой к 23 градусам Цельсия ночью в обоих условиях. Относительная влажность постепенно увеличивалась в ходе эксперимента с редисом по мере увеличения транспирации растений.
Давление воздуха оставалось постоянным и почти идентичным между обработкой окружающей среды и экстремальными обработками углекислого газа на протяжении всего эксперимента. Наш метод может быть использован исследователями, интересующимися космической биологией, микрозеленой физиологией или реакцией растений на повышенный уровень углекислого газа. Внимание к стерильности и санитарии крайне важно при проведении этого протокола для профилактики заболеваний.
Камеры следует регулярно проверять для обеспечения правильной работы. Эти камеры могут использоваться для изучения того, как различные концентрации углекислого газа влияют на физиологию других мелких растений.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен подробный протокол конструирования и эксплуатации недорогой настольной камеры выращивания, способной поддерживать стабильную повышенную концентрацию диоксида углерода (CO2) свыше 3 000 ppm. Система позволяет проводить контролируемые эксперименты по выращиванию растений в условиях, соответствующих среде пилотируемых космических кораблей, что способствует исследованию физиологических реакций растений на воздействие экстремальных концентраций CO2.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Физиология растений
- Космическая биология
- Сельское хозяйство в контролируемой среде
Теоретические сведения
- Уровни CO2 на борту пилотируемых космических кораблей часто превышают 3 000 ppm, что значительно выше, чем в атмосфере Земли.
- Длительное воздействие высоких концентраций CO2 может влиять на рост, физиологию и пищевую ценность растений.
- Лишь немногие лабораторные системы способны надежно поддерживать такие повышенные концентрации CO2 для исследований растений.
- Необходимы доступные и воспроизводимые системы для имитации атмосферных условий, соответствующих условиям космического полета.
Цель исследования
- Разработать настольную камеру выращивания, которая поддерживает стабильный уровень CO2 выше 3 000 ppm.
- Обеспечить воспроизводимость экспериментов с растениями как при нормальном, так и при экстремальном содержании CO2.
- Предоставить экономичный и доступный инструмент для исследователей, изучающих реакции растений на повышенный уровень CO2.
Используемые методы
- Модификация настольного инкубатора с установкой герметичных кабельных вводов и газовых фитингов.
- Автоматизированная система подачи и вентиляции CO2, управляемая одноплатным компьютером с открытым исходным кодом на языке Python.
- Интеграция датчиков температуры, влажности и давления для мониторинга условий окружающей среды.
- Использование гидропонного контейнера с пассивным фитильным поливом для выращивания растений с целью минимизации воздействия на камеру.
- Стерильная подготовка и посадка семян редиса (C3) и амаранта (C4) в гидропонные контейнеры.
- Непрерывный мониторинг и регулировка концентрации CO2, температуры и влажности на протяжении 10–14 дневных циклов роста.
Основные результаты
- В камере поддерживались стабильные концентрации CO2: 618 ppm (контрольная) и 3 061 ppm (экстремальная) в ходе экспериментов с редисом.
- Температура и влажность регулировались постоянно, при этом наблюдалось незначительное повышение влажности из-за транспирации растений.
- Уровни CO2 сильнее колебались в дневное время по мере увеличения биомассы растений, что требовало частого введения газа для поддержания заданных значений.
- Ночное дыхание растений вызывало временное повышение уровня CO2 в контрольной камере, в то время как дневное поглощение быстро снижало уровень CO2.
- Микрозелень редиса и амаранта была успешно выращена при обоих режимах концентрации CO2.
Выводы
- Данный протокол представляет собой воспроизводимый и недорогой метод имитации условий содержания CO2, соответствующих условиям космического полета, для исследований растений.
- Система подходит для изучения физиологии растений, роста микрозелени и реакций на повышенную концентрацию CO2.
- Соблюдение стерильности и регулярный мониторинг камеры необходимы для успешной работы системы.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для отрасли
Надежное моделирование условий с содержанием CO2, соответствующих условиям космического полета, имеет решающее значение для снижения рисков при разработке стратегий питания и систем жизнеобеспечения на основе растений в области биофармацевтики и космической биологии. Эта недорогая и воспроизводимая камера позволяет проводить контролируемую оценку физиологии растений и показателей их питательной ценности в условиях повышенного содержания CO2, поддерживая трансляционные исследования в области сельского хозяйства в замкнутых средах. Система восполняет важный пробел в экспериментальной инфраструктуре для прогностической оценки реакций растений на экстремальные атмосферные условия.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет проводить исследования физиологической адаптации растений к высокому содержанию CO2 на основе выдвинутых гипотез, что актуально для космических полетов и сельского хозяйства в контролируемых условиях.
- Способствует механистическому снижению рисков путем выделения CO2 в качестве независимой переменной в исследованиях роста и питания растений.
- Облегчает функциональную валидацию растительных мишеней, отвечающих за устойчивость и продуктивность в условиях атмосферного стресса.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированную, воспроизводимую платформу для количественной оценки роста растений, биомассы и содержания питательных веществ в контролируемых условиях CO2.
- Позволяет разрабатывать методы анализа для скрининга генотипов растений или вариантов обработки с целью оценки их эффективности в условиях повышенного содержания CO2.
- Поддерживает масштабируемость и повторное использование платформы для сравнительных исследований различных видов растений и экспериментальных условий.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приведение экспериментальных условий в соответствие с условиями космического полета и сельского хозяйства в замкнутых системах, что повышает трансляционную значимость физиологических данных растений.
- Обеспечение непрерывности процесса от этапа открытия до доклинической валидации стратегий создания систем жизнеобеспечения на основе растений.
- Поддержка поэтапного продвижения перспективных систем растений для применения в космосе и на Земле с учетом анализа рисков.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данная система камер интегрирована в континуум от фундаментальных исследований до доклинических испытаний в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с растениями, направленных на космические полеты и сельское хозяйство в контролируемой среде.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез и изучение механизмов реакции растений на повышенную концентрацию CO2.
- Скрининг: предоставляет воспроизводимые количественные данные для анализа роста и физиологических показателей.
- Аналитика: позволяет собирать данные об окружающей среде и фенотипе для надежного статистического сравнения условий эксперимента.
- Трансляционные исследования: связывает лабораторные результаты с прикладными задачами сельского хозяйства в условиях космических полетов и замкнутых систем.
- Многократное использование: представляет собой гибкую недорогую платформу, адаптируемую к различным видам растений и целям исследований.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозирования продуктивности растений в экстремальных условиях содержания CO2.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизированную, воспроизводимую и масштабируемую экспериментальную инфраструктуру.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует процесс принятия решений о выборе растительных систем для использования в космосе и контролируемых средах.
- Влияние на портфель: Позволяет осуществлять приоритизацию решений на основе растений для систем жизнеобеспечения и питания с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области физиологии растений, контроля условий окружающей среды и методов стерильной работы.
- Необходимы настольный инкубатор, система подачи CO2, датчики и одноплатный компьютер для автоматизации.
- Требуется строгая стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости и целостности данных.
- Метод может быть адаптирован для различных видов мелких растений путем соответствующей корректировки протокола.
- Регулярный мониторинг и строгое соблюдение санитарных норм необходимы для предотвращения контаминации и обеспечения надежности системы.
