LED在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用與前景

賴瑞聯(lián)，馮 新，賴恭梯，張梓浩，陳裕坤，劉生財(cái)，林玉玲，賴鐘雄

(福建農(nóng)林大學(xué)園藝植物生物工程研究所，福建 福州 350002)

發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)，是種將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的新型光源。20世紀(jì)80年代，LED首次應(yīng)用于植物設(shè)施栽培試驗(yàn)[1]，此后，逐步應(yīng)用于植物的光形態(tài)建成與光合作用等有關(guān)光對(duì)植物機(jī)理影響的試驗(yàn)[2，3]，在植物生命科學(xué)研究領(lǐng)域越來(lái)越受關(guān)注。植物離體培養(yǎng)是指在無(wú)菌條件下，將植物器官、組織、細(xì)胞或原生質(zhì)體進(jìn)行離體培養(yǎng)，使其再生細(xì)胞或完整植株的一項(xiàng)技術(shù)[4]，該技術(shù)發(fā)展幾十年來(lái)，包括冷陰極熒光燈(CCLF)[5]、無(wú)糖組培技術(shù)[6]、開(kāi)放式組培技術(shù)[7-9]等在內(nèi)的許多新技術(shù)得到了應(yīng)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(guò)對(duì)馬鈴薯[10]、蝴蝶蘭[11]、油菜[12]等研究表明，LED可作為植物離體培養(yǎng)的理想光源。此外，國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者對(duì)LED進(jìn)行了優(yōu)化和改良，使LED進(jìn)一步適應(yīng)試管植物的光源特性要求[13-15]。隨著光生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED在不同植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用成為熱點(diǎn)問(wèn)題，具有較好的應(yīng)用前景。

1 LED應(yīng)用于植物離體培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)

LED誕生于20世紀(jì)60年代，其核心部位是P-N結(jié)構(gòu)成的晶片，由P型半導(dǎo)體形成的P層和N型半導(dǎo)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(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線流經(jīng)晶片時(shí)，電子由N層向P層移動(dòng)，并在P-N結(jié)與空穴復(fù)合，能量以輻射可見(jiàn)光的形式釋放[16，17]。

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(zhǎng)等特點(diǎn)[18-20]。相比普通人工光源，LED應(yīng)用于植物離體培養(yǎng)具有諸多優(yōu)勢(shì)。(1)低能耗。普通光源條件下，植物離體培養(yǎng)所需電費(fèi)通常占到了全部費(fèi)用的40%-50%[21]，而同等光照效果，LED光源耗電量?jī)H約為普通光源的1/8、熒光燈的1/2[22]。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(hù)，同時(shí)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(gè)培養(yǎng)層，進(jìn)行立體培養(yǎng)，實(shí)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(fèi)用，進(jìn)一步壓縮成本，而且光源近距離照射植物時(shí)，不會(huì)造成瓶壁結(jié)露，也可避免植物因溫度過(guò)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(yīng)對(duì)光源的波長(zhǎng)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±20 nm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(zhǎng)幾乎吻合[23，24]，生物效能較好。(5)不易損壞，壽命長(zhǎng)。LED使用壽命比普通人工光源長(zhǎng)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(qiáng)和光質(zhì)的可調(diào)性。LED通過(guò)改變導(dǎo)入電流大小，即可直接調(diào)節(jié)光強(qiáng)和光質(zhì)，在植物離體培養(yǎng)中利于進(jìn)行不同光照條件調(diào)控。

2 LED在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用

光是影響植物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子。植物生長(zhǎng)發(fā)育的光學(xué)效應(yīng)與光源的光質(zhì)、光照強(qiáng)度以及光周期等因素有關(guān)。不同光質(zhì)會(huì)影響植物器官分化和細(xì)胞的分裂[25];不同光照強(qiáng)度通過(guò)影響植物光合作用的強(qiáng)弱，作用于植物生長(zhǎng);而光周期較多影響植物的成花[26]。目前，在研究不同光質(zhì)、光強(qiáng)對(duì)試管植物的影響中LED的應(yīng)用較多，而在研究光周期效應(yīng)時(shí)使用較少。

2.1 LED光質(zhì)對(duì)植物離體培養(yǎng)的影響

研究不同光質(zhì)對(duì)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(duì)光的適應(yīng)性進(jìn)行選擇，這些光不是只含單一波長(zhǎng)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(zhǎng)[27]，故以往實(shí)驗(yàn)中也常常用濾光片和吸濾光片或單色儀等對(duì)光源光譜進(jìn)行窄化，但其操作復(fù)雜，光量低且光譜不能精確定量，容易影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可比性[28]。由于LED能較好地彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，利用LED研究不同光質(zhì)對(duì)植物離體培養(yǎng)的影響成為一項(xiàng)重要技術(shù)。

2.1.1 對(duì)試管苗增殖的影響 楊長(zhǎng)娟等[29]利用LED組合光源研究不同光質(zhì)對(duì)洋桔梗試管苗增殖的影響表明，LED紅、藍(lán)光2∶1配比，試管苗增殖率最高。邸秀茹等[30]、張歡等[31]對(duì)菊花試管苗研究表明，不同光質(zhì)LED組合形成的復(fù)合光明顯提高試管苗的增殖效果。這些研究結(jié)果都說(shuō)明了LED復(fù)色光對(duì)試管苗增殖具有促進(jìn)作用，這可能因?yàn)椴煌赓|(zhì)影響植物器官分化的方式和程度不同，而相比單色光，復(fù)色光包含不同光質(zhì)成分，彼此之間相互補(bǔ)充，從而提高增殖率。

2.1.2 對(duì)試管苗生長(zhǎng)的影響 Lian et al[32]研究表明，LED紅藍(lán)復(fù)合光對(duì)百合試管苗生長(zhǎng)最為有利。Nhut et al[33]發(fā)現(xiàn)LED紅、藍(lán)光7∶3復(fù)合照射時(shí)，草莓試管苗生長(zhǎng)較好。這些研究結(jié)果與Shin et al[34]在朵麗蝶蘭的光質(zhì)離體試驗(yàn)中得出的結(jié)果一致?？傮w來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)，這可能與單色光導(dǎo)致系統(tǒng)可利用的光能分布不平衡有關(guān)。

2.1.3 對(duì)試管苗植株內(nèi)含物的影響 在研究不同光質(zhì)LED對(duì)試管植物植株體內(nèi)物質(zhì)合成的作用時(shí)，Jao et al[35]發(fā)現(xiàn)LED藍(lán)光下馬蹄蓮試管苗葉綠素的含量增加效果明顯，戴艷嬌等[36]也通過(guò)試驗(yàn)表明LED單色藍(lán)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。而楊紅飛等[37，38]的觀點(diǎn)卻與前兩者存在明顯不同，通過(guò)不同光質(zhì)配比的LED對(duì)洋桔梗試管苗進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)表明，LED紅、藍(lán)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(yàn)材料不同有關(guān)，另一方面，LED藍(lán)光對(duì)試管植物體內(nèi)各種物質(zhì)的合成有積極的促進(jìn)作用，而對(duì)不同內(nèi)含物的具體影響又存在差別。

2.1.4 對(duì)試管苗光形態(tài)建成的影響 魏星等[39]研究表明，單一LED紅光容易造成菊花試管苗枝葉徒長(zhǎng)，而LED藍(lán)光矮壯效果好。而同樣以菊花作為研究材料，郭威威等[40]研究表明，LED紅、藍(lán)光9∶4時(shí)，有利于非洲菊試管苗矮壯;紅、藍(lán)光3∶1時(shí)，普通菊花試管苗矮壯效果較好。以上表明，不同光質(zhì)LED對(duì)試管苗植株形態(tài)的影響主要表現(xiàn)為紅光LED促進(jìn)植株的生長(zhǎng)和光形態(tài)建成，而藍(lán)光LED抑制植株的伸長(zhǎng)，這與柳金鳳等[41]、Cybularz-urban et al[42]的試驗(yàn)結(jié)果較為相符。

2.1.5 對(duì)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(xué)者就不同光質(zhì)對(duì)愈傷組織的作用進(jìn)行了探索[43，44]，而隨著LED在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用，有學(xué)者將LED替代普通光源進(jìn)行愈傷組織試驗(yàn)。羅麗媛等[45]用不同光質(zhì)LED處理葡萄愈傷組織表明，紅光LED對(duì)葡萄愈傷組織的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，卻抑制白藜蘆醇的合成，而藍(lán)光LED雖不影響愈傷組織的生長(zhǎng)，但提高了白藜蘆醇的含量。而通過(guò)對(duì)LED光質(zhì)精量調(diào)制后，在大蒜愈傷組織研究中，馬琳等[46]也發(fā)現(xiàn)紅光LED促進(jìn)愈傷組織分化，而藍(lán)光LED會(huì)抑制愈傷組織分化。由此可見(jiàn)，光質(zhì)的選擇對(duì)愈傷組織生長(zhǎng)的影響具有決定性作用。

2.2 LED光強(qiáng)對(duì)植物離體培養(yǎng)的影響

一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境條件適宜時(shí)，如果光照強(qiáng)度處于植物的光飽和點(diǎn)以下，植物的光合作用受抑制，相應(yīng)地增加光照強(qiáng)度，植物的光合作用加強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到光飽和點(diǎn)后，繼續(xù)增加光強(qiáng)，植物的生長(zhǎng)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(qiáng)可控性，已有不少人將LED用于試管植物光強(qiáng)需求特性研究。

在不同光照強(qiáng)度對(duì)試管植物生長(zhǎng)的影響試驗(yàn)中，楊雅婷等[47]發(fā)現(xiàn)LED紅藍(lán)復(fù)合光光強(qiáng)為22.50 μmol·m-2·s-1時(shí)，甘薯試管苗生長(zhǎng)最優(yōu)，與其他處理組存在較大差異。閆新房[48]也利用LED新型光源培養(yǎng)架進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)表明，LED紅藍(lán)光組合光強(qiáng)為70 μmol·m-2·s-1時(shí)，最有利于牡丹試管苗生長(zhǎng)。而Kurilcik et al[49]研究表明，LED 復(fù)合光光強(qiáng)在45-55 μmol·m-2·s-1時(shí)，葡萄的生長(zhǎng)最佳。比較三者可發(fā)現(xiàn)，植物最佳生長(zhǎng)對(duì)光強(qiáng)的敏感和適應(yīng)性不同，與物種本身有關(guān)。

在同類植物中，Kurilcik et al[50]發(fā)現(xiàn)，LED 復(fù)合光在40 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下菊花試管苗生長(zhǎng)最好。而張婕等[51]研究表明，LED光強(qiáng)為60 μmol·m-2·s-1時(shí)，菊花試管苗狀態(tài)較優(yōu)，各方面生長(zhǎng)較一致。

光強(qiáng)主要影響試管植物的光合作用，而光合作用的強(qiáng)弱也可通過(guò)植株?duì)I養(yǎng)器官的變化來(lái)間接測(cè)定。Nhut et al[52，53]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的 LED 紅藍(lán)光組合，當(dāng)光強(qiáng)為60 μmol·m-2·s-1時(shí)白鶴芋試管苗的根莖鮮重達(dá)到最大，而光強(qiáng)為60 μmol·m-2·s-1時(shí)，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(zhǎng)的研究中，可單獨(dú)調(diào)控光強(qiáng)的LED的應(yīng)用，對(duì)研究不同光照度對(duì)離體試管苗光合作用的影響具有重要意義。

2.3 LED光周期對(duì)植物離體培養(yǎng)的影響

目前有關(guān)試管植物光周期效應(yīng)的探討相對(duì)較少。Jao et al[54]利用LED紅藍(lán)光(光周期白天16 h/夜間8 h)交替照射馬鈴薯試管苗表明，兩種處理對(duì)馬鈴薯試管苗的影響不同，LED紅藍(lán)光同時(shí)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(shí)了具有不同光譜的光共存是試管植物最佳生長(zhǎng)的必要條件。

3 問(wèn)題與展望

3.1 存在的問(wèn)題

目前LED在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題。首先，由于價(jià)格昂貴，LED無(wú)法得到充分的推廣。LED的核心元件——芯片的費(fèi)用在總成本中占有較大的比重，而我國(guó)高端的LED芯片多來(lái)自于國(guó)外，造成LED價(jià)格居高不下。高成本限制了LED在植物離體培養(yǎng)工廠化生產(chǎn)中的應(yīng)用，但在科研方面LED仍是重要的應(yīng)用工具[55]。再者，LED本身存在的缺陷也在一定程度上限制了其在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用。LED對(duì)自身P-N結(jié)的散熱能力有著嚴(yán)格的要求。LED為冷光源，芯片的耐熱程度有限，但工作過(guò)程中仍有一小部分電能形成了熱輻射，若這些熱能集中在較小區(qū)域，則芯片老化加快，將加劇光衰[56，57]，使用壽命大打折扣。此外，LED光源存在光質(zhì)的穩(wěn)定性以及色度、亮度的均勻性等問(wèn)題[58]，仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 前景展望

隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展，LED生產(chǎn)工藝水平和結(jié)構(gòu)材料必然得到不斷提高和更新，從而降低其生產(chǎn)成本并進(jìn)一步優(yōu)化性能，同時(shí)克服存在的缺陷，使LED更加適應(yīng)植物離體培養(yǎng)的光源需求。

在研究光質(zhì)和光強(qiáng)對(duì)植物離體培養(yǎng)的影響時(shí)，LED具有單色性，很可能淘汰光柵或單色儀，通過(guò)精確定量調(diào)配，從而獲得高純度的光源，提高光生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

LED體積小，耗電量低，有利于其在常規(guī)植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用。現(xiàn)階段，將LED應(yīng)用于常規(guī)植物離體培養(yǎng)的報(bào)道較少，而普遍使用的光源設(shè)備存在較多不足，用更高效的LED替換這些普通光源設(shè)備更為迫切。使用LED光源的新型培養(yǎng)室，可將發(fā)光元件直接安裝在培養(yǎng)容器上方，利用余下的空間設(shè)置更多的培養(yǎng)層。隨著LED光源穩(wěn)定性和均勻性問(wèn)題的克服，不同培養(yǎng)位置上的植物接受的光照也將一致。利用LED構(gòu)建的新型培養(yǎng)室可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大利用空間，增加培養(yǎng)數(shù)量，減少電費(fèi)成本，促進(jìn)植物長(zhǎng)勢(shì)一致，提高植物生長(zhǎng)速度，節(jié)能環(huán)保等多重效益。

LED光照單獨(dú)可控性也將在常規(guī)植物離體培養(yǎng)中得到較好的應(yīng)用。不同植物種類、同種植物不同生長(zhǎng)階段的需光特性以及對(duì)試管苗的單一形狀進(jìn)行改變時(shí)所需要的適宜光源不同，例如試管苗誘導(dǎo)培養(yǎng)和壯苗生根培養(yǎng)后期，選擇的最佳人工光源并不一致，常規(guī)培養(yǎng)室中使用的都為統(tǒng)一光源，并不能為植物的生長(zhǎng)適時(shí)提供最優(yōu)的光照條件，而這種需求在LED新型培養(yǎng)室中將成為可能。LED通過(guò)控制電流的大小即可對(duì)輻射光進(jìn)行調(diào)控，因此可以在不同的試管苗培養(yǎng)區(qū)、不同處理區(qū)、試管植物不同的生長(zhǎng)階段使LED發(fā)出不同的光，使光照具有更強(qiáng)的針對(duì)性，提高植物離體培養(yǎng)的效果和實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

植物離體培養(yǎng)受多種環(huán)境因素影響，因此，必須同時(shí)改善植物其他的生長(zhǎng)條件，將LED的應(yīng)用與培養(yǎng)室CO2/O2濃度比控制、濕度設(shè)置、培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分以及激素水平的調(diào)整相結(jié)合，以滿足試管植物的需求，提高LED的使用效果。隨著現(xiàn)代離體培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)一步系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，LED可以與CCLF、無(wú)糖組培技術(shù)、開(kāi)放式組培技術(shù)等新科技結(jié)合使用，通過(guò)多元調(diào)整，使植物離體培養(yǎng)進(jìn)一步發(fā)展。總之，隨著LED產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，以及植物離體培養(yǎng)技術(shù)的提高，LED大規(guī)模應(yīng)用于植物離體培養(yǎng)將成為一種趨勢(shì)。

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