新型節(jié)能高效植物組培專用LED光源的研制與試驗

郭威威，畢 超，王 兵

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

光作為植物生長必需的環(huán)境因素，其光譜能量分布(光質(zhì)與光量)對植物組培苗的生長發(fā)育、形態(tài)建成及生理代謝等具有很大影響［1－3］。國內(nèi)外學(xué)者采用熒光燈或濾光片獲得光質(zhì)，研究了其對康乃馨、小蒼蘭和仙客來［4－6］等組培苗生長的影響，但由此獲得的光質(zhì)無法精確定量并調(diào)制光譜能量分布，光量低且不一致，影響到結(jié)論的可靠性和可比性［7］，因此研制出光譜能量分布可調(diào)的專用光源很有必要。

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型人工光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源已成為趨勢。發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)作為光源已應(yīng)用于植物的組織培養(yǎng)。LED為新型半導(dǎo)體光源，具有光質(zhì)純、光效高、波長類型豐富、光譜能量調(diào)制便捷、低發(fā)熱、小體積、長壽命等突出優(yōu)勢，便于集中植物所需波長實施均衡近距離照射，可實現(xiàn)高效能、低熱負(fù)荷和緊湊空間的集約化植物生產(chǎn)，將是替代傳統(tǒng)熒光燈用于植物組織培養(yǎng)和工廠化快繁育苗的新一代節(jié)能環(huán)保型光源［8］。

植物對光的顏色，尤其是對紅、遠(yuǎn)紅和藍(lán)3種光極其敏感。植物生長所需的光合有效輻射(PAR)在波長400～700 nm之間，其中在藍(lán)光區(qū)(約450 nm)和紅光區(qū)(約650 nm)的光合效率最高。紅光與藍(lán)光組合的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜一致，因此可以通過增加凈光合速率促進(jìn)植物的生長和發(fā)育［9］。LED能發(fā)射窄單色紅光光譜和藍(lán)光光譜，與葉綠素a、b的吸收波長是相匹配的，而且LED光源可區(qū)分出不同的光質(zhì)［10］。唐鳳鸞等用LED光源對植物進(jìn)行補(bǔ)充光照［11］，但采用LED輻射產(chǎn)生的不同光質(zhì)進(jìn)行不同配比組合成光影響組培苗生長發(fā)育和生理指標(biāo)的報道尚未見。

本研究中采用 LED調(diào)制光質(zhì)和光量，紅光、遠(yuǎn)紅光和藍(lán)光不同配比組合光作為光源，采用園藝生產(chǎn)及植物工廠廣泛應(yīng)用的組培材料非洲菊和菊花作為研究對象，研究不同光譜能量分布對非洲菊和菊花組培苗的光生物學(xué)效應(yīng)，為其離體快繁光環(huán)境的改善和組培專用 LED光源的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

實驗于2010年4－7月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)組培室進(jìn)行。非洲菊和菊花為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉研究所提供的無菌試管苗。生根培養(yǎng)基為1/2MS +0.2 mg·L－1NAA+25 g·L－1蔗糖 +6 g·L－1瓊脂，pH調(diào)至5.8。每個容積為350 mL的玻璃瓶內(nèi)接種3葉1心的高約1.5 cm的外植體4株。培養(yǎng)室相對濕度75% ±5%，溫度(25±2)℃。

1.2 LED光源研制與光譜能量分布

LED光源由本校農(nóng)學(xué)院采用廈門華聯(lián)電子公司生產(chǎn)的紅光［(658±20)nm］、遠(yuǎn)紅光［(715±20)nm］和藍(lán)光［(460±20)nm］半導(dǎo)體燈自主制成。如表1所示，共制作6個處理的LED組合光源并進(jìn)行穩(wěn)定性測試。

以華電公司制造的電工牌管狀熒光燈作為白光對照，光譜能量分布如表1所示，共計7個處理。接種好的材料預(yù)培養(yǎng)3 d后，隨機(jī)放置在不同光質(zhì)配比光的光照系統(tǒng)及對照熒光燈之下，每種材料每處理12瓶，每處理下擺放均勻使材料受光均勻。調(diào)節(jié)電流、占空比以及光源與植株的距離，光照強(qiáng)度均調(diào)為 50 μmol·m－2·s－1左右，光照時間為 16 h·d－1，30 d 培養(yǎng)周期。

表1 LED輻射不同光質(zhì)配比的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 測定指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理

培養(yǎng)結(jié)束后，測量試管苗基部到頂芽的距離作為株高，根基到根尖的距離為地下部長，根基到頂芽的距離為地上部高以及植株基部莖粗，并分別稱量植株的地上與地下部鮮重，放入105℃烘箱中殺青15 min，烘干至恒重，稱干重，能效=干樣重/耗電量。用打孔器取直徑0.5 cm的葉片圓片20片，稱鮮樣質(zhì)量，無水乙醇丙酮提取法測定上鮮樣中葉綠素和類胡蘿卜素含量。以上實驗均重復(fù)3次，Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS進(jìn)行方差分析，采用Duncan進(jìn)行多重比較，P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)配比光對組培苗生長的影響

2.1.1 對非洲菊的影響

由表2可看出，F(xiàn)rB處理非洲菊的莖粗最細(xì)，且顯著低于 LRB，2RB，1RB和 HRB處理，其地上部高也較大，說明遠(yuǎn)紅光與藍(lán)光組合易使植株徒長;同理對照組的莖粗也較細(xì)，地上部顯著高于其他處理，易形成細(xì)長的植株形態(tài);而1RB與LRB莖粗較大，地上部短，較易形成壯苗;各個處理間在根長上沒有顯著差異;隨著R/B值的增加，在莖粗上呈現(xiàn)先減小后上升的趨勢，幾乎與地上部高的結(jié)果相反。結(jié)合表3，各處理在植株的鮮重與干重上沒有顯著差異，但各處理的能效值顯著高于對照，大約是對照的 6.1～9.3倍?？傊?RB與LRB可促進(jìn)非洲菊形成矮壯苗，F(xiàn)rB處理可形成較細(xì)長的植株。

表2 不同光質(zhì)配比對非洲菊組培苗形態(tài)指標(biāo)的影響(cm)

2.1.2 對菊花的影響

對于菊花的形態(tài)指標(biāo)，從表4可看出，F(xiàn)rB和1RB處理的莖粗顯著高于 LRB，HRB及對照組，且FrB植株地上部較高，易形成高壯植株，而1RB的植株地上部較短易形成矮壯的植株;對照組的地上部高顯著高于其他處理，說明這些LED光質(zhì)組合在一定程度上能降低菊花苗的徒長。表5顯示，F(xiàn)rB處理在植株的鮮重與干重上都優(yōu)于其他處理且與對照組有顯著差異，且其能效值也較高;其他處理組合在地上(下)部鮮重(干重)上與對照沒有顯著差異，但1RB在地上與地下部干重上與對照有顯著差異，且其能效很高;表5反映了FrB與1RB有助于有機(jī)物的積累，使FrB植株形成高壯植株，1RB的植株形成矮壯植株，照應(yīng)了表5的結(jié)果。

表3 不同光質(zhì)配比對非洲菊有機(jī)物積累的影響

表4 不同光質(zhì)配比對菊花組培苗形態(tài)指標(biāo)的影響

2.2 不同光質(zhì)配比光對組培苗葉中色素含量的影響

2.2.1 對非洲菊色素含量的影響

各處理在葉綠素a和b及類胡蘿卜素含量上沒有顯著差異(表6)，在總?cè)~綠素含量上處理2RB和1RB顯著低于FrB和LRB，F(xiàn)rB處理光合色素含量高，LRB在形成矮壯苗的同時，也能促進(jìn)葉綠素的積累，綜合長勢較好。

表5 不同光質(zhì)配比對菊花有機(jī)物積累的影響

表6 不同光質(zhì)配比對非洲菊色素含量的影響

2.2.2 對菊花色素含量的影響

表7顯示了不同光質(zhì)組合對菊花色素含量的影響，各處理在葉綠素b含量上無顯著差異。處理RB結(jié)果最好，葉綠素a，葉綠素及類胡蘿卜素含量最高，且顯著高于處理1RB和2RB，說明1RB和2RB不利于色素的積累，這與非洲菊色素含量的結(jié)果一樣。

3 小結(jié)和討論

LRB處理使非洲菊形成矮壯苗的同時，也能促進(jìn)葉綠素的積累。FrB處理使菊花形成高壯植株，1RB處理使菊花形成矮壯植株，RB處理利于菊花光合色素的形成。1RB和2RB處理均不利于非洲菊和菊花光合色素的積累。各處理的能效值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對照，為節(jié)能提供了可能。

表7 不同光質(zhì)配比對菊花色素含量的影響

在以上的結(jié)果中也存在一些矛盾的地方:對于菊花，F(xiàn)rB和1RB處理都能使植株形成壯苗，但它們的根不是很發(fā)達(dá)，根長顯著低于一些組合，因為根是植物吸收養(yǎng)分的主要組織，而不是很發(fā)達(dá)的根可形成壯苗，這其中的原因還需要我們?nèi)パ芯俊?/p>

試驗對非洲菊和菊花進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明不同材料、不同生長及生理指標(biāo)所需最優(yōu)的光質(zhì)組合不同，本試驗為研制專用的植物組培光源提供了參考。傳統(tǒng)的熒光燈其光譜能量分布不符合植株生長需求，發(fā)熱量大，引起電能損耗和浪費［12］。光譜能量分布可調(diào)的LED光源其能效明顯高于熒光燈，突顯了LED用于植物組培和工廠化快繁育苗產(chǎn)業(yè)的高能效特征，是替代熒光燈的理想光源。

［1］車生泉，盛月英，秦文英．光質(zhì)對小蒼蘭莖尖試管培養(yǎng)的影響［J］．園藝學(xué)報，1997，24(3):269-273．

［2］倪德祥，張丕方，陳剛．光質(zhì)對康乃馨試管苗生長發(fā)育的影響［J］．園藝學(xué)報，1985，12(3):197-202．

［3］龐基良，林波，梁海曼．激素、光照對仙客來葉片愈傷組織誘導(dǎo)、分化及試管苗生長的影響［J］．園藝學(xué)報，1994，21(1):103-104．

［4］唐鳳鸞，黃寧珍，黃志民，等．自然光照下補(bǔ)照不同光質(zhì)光對馬蹄蓮光合速率及生長的影響［J］．植物生理學(xué)通訊，2007，43(5):879-881．

［5］童哲．光質(zhì)純度對幼苗光形態(tài)建成的影響［J］．植物生理學(xué)通訊，1989，(2):28-31．

［6］吳沿友，劉健，胡永光，等．發(fā)光二極管作為組培光源的特性分析與應(yīng)用［J］．江蘇大學(xué)學(xué)報，2007，28(2):93-96．

［7］Bach A，Krol A．Effect of light quality on somatic embryogenesis in Hyacinthus orientalis L．‘Delft's blue’［J］．Biological Bulletin of Poznan，2001，38(1):103-107．

［8］Goins G D，Yorio N C，Sanwo M M，et al．Photomorphogenesis，photosynthesis，and seed yield of wheat plants grown under red light-emitting diodes(LEDs)with and without supplemental blue lighting［J］．J Exp Bot，1997，48:1407-1413．

［9］Kim H H，Goins G D，Wheeler R M，et al．Green-light supplementation for enhanced lettuce growth under red-and blue-light-emitting diodes［J］．Hort Science，2004，39(7):1617-1622．

［10］Kodym A，Zapata-Arias F J．Natural light as an alternative light source for the in vitro culture of banana(Musa acuminata cv．‘Grande Naine’)［J］．Plant Cell，Tissue and Organ Culture，1999，55(2):141-145．

［11］Onofrio C D，Morini S，Bellocchi L G．Effect of light quality on somatic embry ogenesis of quince leaves［J］．Plant Cell，Tissue and Organ Culture，1998，53(2):91-98．

［12］Ouyang J，Wang X D，Zhao B，et al．Light intensity and spectral quality in fluencing the callus growth of Cistanche deserticola and biosynthesis of phenylethanoid glycosides［J］．Plant Science，2003，165:657-661．