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LED在植物離體培養(yǎng)中的應用與前景

編輯：chris 2013-01-18 10:07:24 瀏覽：1809 來源：

LED是種將電能轉(zhuǎn)化為可見光的新型光源。20世紀80年代，LED首次應用于植物設(shè)施栽培試驗，此后，逐步應用于植物的光形態(tài)建成與光合作用等有關(guān)光對植物機理影響的試驗，在植物生命科學研究領(lǐng)域越來越受關(guān)注。植物離體培養(yǎng)是指在無菌條件下，將植物器官、組織、細胞或原生質(zhì)體進行離體培養(yǎng)，使其再生細胞或完整植株的一項技術(shù)，該技術(shù)發(fā)展幾十年來，包括冷陰極熒光燈(CCLF)、無糖組培技術(shù)、開放式組培技術(shù)等在內(nèi)的許多新技術(shù)得到了應用。

目前，植物離體培養(yǎng)所廣泛使用的熒光燈、高壓鈉燈等普通人工光源存在一定的局限，而LED具有這些光源所不具備的優(yōu)良特性，因此人們嘗試用LED替代這些普通人工光源。通過對馬鈴薯、蝴蝶蘭、油菜等研究表明，LED可作為植物離體培養(yǎng)的理想光源。此外，國內(nèi)外也有不少學者對LED進行了優(yōu)化改良，使LED進一步適應試管植物的光源特性要求。隨著光生物學技術(shù)的發(fā)展，LED在不同植物離體培養(yǎng)中的應用成為熱點問題，具有較好的應用前景。

一、LED應用于植物離體培養(yǎng)的優(yōu)勢

LED誕生于20世紀60年代，其核心部位是P-N結(jié)構(gòu)成的晶片，由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層以及中間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。N區(qū)富集有大量的自由電子，當電流通過導線流經(jīng)晶片時，電子由N層向P層移動，并在P-N結(jié)與空穴復合，能量以輻射可見光的形式釋放。

目前，用于植物離體培養(yǎng)的熒光燈、日光燈等普遍存在使用壽命短、易損壞、光質(zhì)不純、易發(fā)熱以及植物吸收率低等不理想效果。而LED具有耗電量低、體積小、冷光源、單色性好、壽命長等特點。相比普通人工光源，LED應用于植物離體培養(yǎng)具有諸多優(yōu)勢。

1、低能耗。

普通光源條件下，植物離體培養(yǎng)所需電費通常占到了全部費用的40%-50%，而同等光照效果，LED光源耗電量僅約為普通光源的1/8、熒光燈的1/2。如果LED大量用于植物離體培養(yǎng)，所節(jié)約的能源和成本將不容忽視。

2、體積小。

LED體積小，便于常規(guī)修理維護，同時可直接安裝在培養(yǎng)容器上方，增加了培養(yǎng)室的有效利用空間，可設(shè)置多個培養(yǎng)層，進行立體培養(yǎng)，實現(xiàn)植物離體培養(yǎng)的小型集約化生產(chǎn)。

3、冷光源特性。

LED幾乎不發(fā)熱，方便培養(yǎng)室的溫度控制，減少制冷費用，進一步壓縮成本，而且光源近距離照射植物時，不會造成瓶壁結(jié)露，也可避免植物因溫度過高而灼傷甚至死亡。

4、單色性好，光質(zhì)純度高。

普通人工光源的輻射光譜范圍較寬，而植物的光效應對光源的波長有一定要求，故植物的利用效率往往較低。而LED光源半波寬在±20nm左右，根據(jù)不同植物需求選擇光源后，LED光譜吸收波峰與植物需光波長幾乎吻合，生物效能較好。

5、不易損壞，壽命長。

LED使用壽命比普通人工光源長得多，且抗震效果好，不易損壞，減少維修更換，節(jié)省成本，減輕廢棄物污染。

6、光強和光質(zhì)的可調(diào)性。

LED通過改變導入電流大小，即可直接調(diào)節(jié)光強和光質(zhì)，在植物離體培養(yǎng)中利于進行不同光照條件調(diào)控。

二、LED在植物離體培養(yǎng)中的應用

光是影響植物生長的重要環(huán)境因子。植物生長發(fā)育的光學效應與光源的光質(zhì)、光照強度以及光周期等因素有關(guān)。不同光質(zhì)會影響植物器官分化和細胞的分裂；不同光照強度通過影響植物光合作用的強弱，作用于植物生長;而光周期較多影響植物的成花。目前，在研究不同光質(zhì)、光強對試管植物的影響中LED的應用較多，而在研究光周期效應時使用較少。

1、LED光質(zhì)對植物離體培養(yǎng)的影響

研究不同光質(zhì)對植物離體培養(yǎng)的影響所采用的傳統(tǒng)光源，往往依據(jù)人眼對光的適應性進行選擇，這些光不是只含單一波長的單色光，光譜范圍與試管植物的需求通常也不相稱，試管苗吸收率較低，且難以具體確定最符合生物特性的波長，故以往實驗中也常常用濾光片和吸濾光片或單色儀等對光源光譜進行窄化，但其操作復雜，光量低且光譜不能精確定量，容易影響實驗的準確性和可比性。由于LED能較好地彌補這些缺點，利用LED研究不同光質(zhì)對植物離體培養(yǎng)的影響成為一項重要技術(shù)。

（1）對試管苗增殖的影響

利用LED組合光源研究不同光質(zhì)對洋桔梗試管苗增殖的影響表明，LED紅、藍光2∶1配比，試管苗增殖率最高。對菊花試管苗研究表明，不同光質(zhì)LED組合形成的復合光明顯提高試管苗的增殖效果。

這些研究結(jié)果都說明了LED復色光對試管苗增殖具有促進作用，這可能因為不同光質(zhì)影響植物器官分化的方式和程度不同，而相比單色光，復色光包含不同光質(zhì)成分，彼此之間相互補充，從而提高增殖率。

（2）對試管苗生長的影響

研究表明，LED紅藍復合光對百合試管苗生長最為有利。LED紅、藍光7∶3復合照射時，草莓試管苗生長較好。總體來說，不同光質(zhì)的LED組合照射試管苗較使用LED單色光處理更有利于試管苗的生長，這可能與單色光導致系統(tǒng)可利用的光能分布不平衡有關(guān)。

（3）對試管苗植株內(nèi)含物的影響

在研究不同光質(zhì)LED對試管植物植株體內(nèi)物質(zhì)合成的作用時，我們發(fā)現(xiàn)LED藍光下馬蹄蓮試管苗葉綠素的含量增加效果明顯，通過試驗表明LED單色藍光有利于蝴蝶蘭試管苗可溶性蛋白質(zhì)、淀粉以及游離氨基酸的合成。而也有觀點卻與前兩者存在明顯不同，通過不同光質(zhì)配比的LED對洋梗試管苗進行培養(yǎng)試驗表明，LED紅、藍光1∶1配比有利于其淀粉和可溶性蛋白質(zhì)的合成。這種差異的形成可能與試驗材料不同有關(guān)，另一方面，LED藍光對試管植物體內(nèi)各種物質(zhì)的合成有積極的促進作用，而對不同內(nèi)含物的具體影響又存在差別。

（4）對試管苗光形態(tài)建成的影響

研究表明，單一LED紅光容易造成菊花試管苗枝葉徒長，而LED藍光矮壯效果好。而同樣以菊花作為研究材料，LED紅、藍光9∶4時，有利于非洲菊試管苗矮壯；紅、藍光3∶1時，普通菊花試管苗矮壯效果較好。以上表明，不同光質(zhì)LED對試管苗植株形態(tài)的影響主要表現(xiàn)為紅光LED促進植株的生長和光形態(tài)建成，而藍光LED抑制植株的伸長。

（5）對愈傷組織的影響

愈傷組織培養(yǎng)是植物離體培養(yǎng)的重要組成部分，已有不少學者就不同光質(zhì)對傷組織的作用進行了探索，而隨著LED在植物離體培養(yǎng)中的應用，有學者將LED替代普通光源進行愈傷組織試驗。用不同光質(zhì)LED處理葡萄愈傷組織表明，紅光LED對葡萄愈傷組織的生長有促進作用，卻抑制白藜蘆醇的合成，而藍光LED雖不影響愈傷組織的生長，但提高了白藜蘆醇的含量。而通過對LED光質(zhì)精量調(diào)制后，在大蒜愈傷組織研究中也發(fā)現(xiàn)紅光LED促進愈傷組織分化，而藍光LED會抑制愈傷組織分化。由此可見，光質(zhì)的選擇對愈傷組織生長的影響具有決定性作用。

2、LED光強對植物離體培養(yǎng)的影響

一般來說，環(huán)境條件適宜時，如果光照強度處于植物的光飽和點以下，植物的光合作用受抑制，相應地增加光照強度，植物的光合作用加強，當達到光飽和點后，繼續(xù)增加光強，植物的生長不發(fā)生顯著變化，反而可能產(chǎn)生不利效果。在植物離體培養(yǎng)中，利用LED的光強可控性，已有不少人將LED用于試管植物光強需求特性研究。

　　在不同光照強度對試管植物生長的影響試驗中，發(fā)現(xiàn)LED紅藍復合光光強為22.50μmol·m-2·s-1時，甘薯試管苗生長最優(yōu)，與其他處理組存在較大差異。利用LED新型光源培養(yǎng)架進行相關(guān)試驗也表明，LED紅藍光組合光強為70μmol·m-2·s-1時，最有利于牡丹試管苗生長。研究表明，LED復合光光強在45-55μmol·m-2·s-1時，葡萄的生長最佳。比較三者可發(fā)現(xiàn)，植物最佳生長對光強的敏感和適應性不同，與物種本身有關(guān)。

　　在同類植物中，我們發(fā)現(xiàn)，LED復合光在40μmol·m-2·s-1光強下菊花試管苗生長最好。LED光強為60μmol·m-2·s-1時，菊花試管苗狀態(tài)較優(yōu)，各方面生長較一致。

　　光強主要影響試管植物的光合作用，而光合作用的強弱也可通過植株營養(yǎng)器官的變化來間接測定。研究發(fā)現(xiàn)，適宜的LED紅藍光組合，當光強為60μmol·m-2·s-1時白鶴芋試管苗的根莖鮮重達到最大，而光強為60μmol·m-2·s-1時，香蕉試管植株根莖鮮重最大。在探索外界因素影響植物生長的研究中，可單獨調(diào)控光強的LED的應用，對研究不同光照度對離體試管苗光合作用的影響具有重要意義。

　　3、LED光周期對植物離體培養(yǎng)的影響

　　目前有關(guān)試管植物光周期效應的探討相對較少。利用LED紅藍光(光周期白天16h/夜間8h)交替照射馬鈴薯試管苗表明，兩種處理對馬鈴薯試管苗的影響不同，LED紅藍光同時照射的馬鈴薯試管苗干重明顯高于交替處理的試管苗。由此也證實了具有不同光譜的光共存是試管植物最佳生長的必要條件。

三、問題與展望

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