LED植物生長燈在植物組織培養中的應用

2021-09-18 10:08:09 614
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    摘要 :光是植物生長中的重要環境因子之一。LED因體積小 、質量輕 、壽命長 、光強可調等優點 ,使其成為植物光環境調控的重要光源之一 ,並在節能和促進植物生長方麵都具有明顯的優勢 。目前 ,LED在植物組織培養研究中已得到一定的應用 ,並取得了一些較大的進展 。本文介紹了LED植物生長燈的主要特點及其在植物組織培養中的應用情況 。

      LED獨有的優點 ,使其成為植物組織培養研究的重要光源之一 。20世紀80年代以來 ,世界上一些國家陸續開始了LED在植物組織培養中應用的研究 。中國的一些高等院校和科研機構也開始了該方麵的研究 ,並取得了一些可喜的進展 。本文簡要從以下幾個方麵對LED在植物設施栽培方麵已做過的工作做一個總結 ,並對它在該領域的應用前景做一個評估 。


1光照與植物

1.1光對植物的影響

光是植物生長中最重要的環境因子之一 ,它不僅為植物光合作用提供輻射能,還為植物提供信號轉導 ,調節其發育過程 。植物在它的整個生命周期中始終處於一個不斷變化的光環境中 ,在長期的進化中 ,植物不僅適應了光環境的變化 ,而且還能相互影響而改變周圍的光環境[1] 。

1.2光線與色素

到達地麵的太陽光波長大約從300~2 600 nm ,其中對光合作用的有效波長在4 00~700 nm之間 ,其中425~490 nm的藍光以及610~700 nm的紅光對光合作用貢獻率最大 ,而520~610 nm(綠色)的光線被植物吸收的比率很低[2] 。可見 ,並不是所有的光都有助於植物的光合作用 。色素可以吸收光能來產生一係列的生化反應 ,不同的色素吸收的波長不同 。植物體內有很多色素 ,分別起著不同的作用 ,但有兩種色素 ,即光敏色素和隱花色素在調節植物對光的反應中起著關鍵性的作用 。光敏色素有兩個互變異構體—紅光光敏色素(Pr)和遠紅光光敏色素(Pfr) 。Pr吸收波長為660 nm左右的紅光 ,Pfr吸收波長為730 nm左右的遠紅光 。光敏色素調節多種不同植物對光的反應 ,包括光周期 ,種子萌發 、展葉 、下胚軸伸長和脫黃化 。隱花色素吸收藍光和紫外光範圍的光波 ,其它色素與植物的發育有關[2] 。由此可見 ,460 nm左右的藍光和660 nm左右的紅光是植物最需要的光波 ,並對植物的生長發育起著關鍵性的作用 。

2 LED簡介及優點

2.1 LED簡介

LED(light-emitting diodes) ,即發光二極管 ,是一種可以有效地把電能轉變成電磁輻射的裝置[3] 。1962年 ,GE 、Monsanto 、IBM的聯合實驗室開發出發紅光的半導體化合物GaAsP 。1965年 ,全球第一款商用化的用鍺材料做成的可發出紅外光的LED誕生 。隨著技術的不斷進步,近年來白光LED的發展相當迅速 ,白光LED的發光效率已經達到30 lm/W ,實驗室研究成果可以達到60 lm/W ,大大超過白熾燈 ,向熒光燈逼近 。

2.2 LED優點分析

LED具有體積小 、重量輕 、固態 、壽命長 、波長特殊 、驅動電壓較低 、光效率高 、能耗小 、安全 、可靠耐用 、不容易色衰的優點 ,且紅光LED光子具有較大的光通量[4-6] 。另外 ,LED具有較窄的波譜 ,波譜半寬範圍從幾納米到幾十納米 ,在±20 nm左右 ,波長正好與植物光合成和光形態形成的光譜範圍相吻合[7-8] 。

3 LED光源在植物組織培養中的應用

LED在植物組織培養中的應用是基於LED技術的發展和植物組織培養環境調控而發展起來的[9-10] 。世界上最早將LED用於植物栽培的是日本的三菱公司 ,早在1982年就有關於波長為650 nm的紅光LED光源用於溫室番茄補光的試驗報告[6] 。後來LED也被應用於植物組織培養中的環境調控 ,並對LED在節能方麵的作用加以探討[11] 。目前 ,LED在植物組織培養中的應用主要集中在光質和光強對組培苗生長影響方麵 ,而對光周期等研究較少 。就世界範圍來說 ,LED在植物組織培養中的應用研究主要集中在日本和美國 。日本的研究處於國際領先地位 ,不但開發了專門應用於植物組織培養的LED發光係統 ,而且與其它環境調控因子相結合 ,取得了一些重要的基礎數據 。中國一些科研機構也開始了這方麵的研究 ,並自主開發了一些LED光源係統 ,用於植物組織培養研究工作[12-16] 。

3.1光質選擇

LED誕生之初 ,人們用660 nm左右的紅光LED作為主光源 ,熒光燈作為輔助光源進行研究 ,隨著LED技術的不斷發展 ,各種波段的LED紛紛被用於植物組織培養 ,主要有660 nm左右紅光 ,460 nm左右藍光 ,730 nm左右遠紅光和白光 。

日本的Tanaka等[18]較早地利用LED作為蘭花組培苗光源 ,發現紅光可促進大花蕙蘭試管苗葉片的生長 ,但會降低葉綠素含量 ,不過這種現象可被藍光所抵消 ,試管苗生長的最佳紅藍光比例為8∶2 。Le Van等人研究表明 ,在紅藍光比例為3:1時愈傷組織的生長效果最佳 ,但100%的紅光對愈傷組織的誘導率最高 。Anzelika等[18]在對葡萄的組織培養中發現 ,光譜中的藍光成分阻止試管苗的伸長,但能促進葉的形成和各種光合色素的合成 。遠紅光成分PPF的增減對幹鮮重的積累和光合色素的合成也都有明顯的影響 。紅光LED有助於增加株高 、節間長和生根率 ,而藍光與葉綠素的合成和氣孔的發育有關 。盡管在紅光LED條件下葉綠素含量較低 ,但是這個作用可以通過照射藍光LED或熒光燈來削弱 。另外紅光有利於可溶性糖和澱粉的積累 ,降低色素含量 。而藍光能夠逆轉此效應 ,可促進色素和可溶性蛋白的合成 。紅光和藍光組合處理的葉中可溶性糖和澱粉含量以及根係活力均高於白光處理 ,尤以高R/B配比光處理的組培苗生長健壯 ,移栽成活率最高 。張婕等[14]研究表明 ,紅藍光比例7∶3的條件下 ,菊花組培苗的生長狀況最好 。蔣要衛[12]研究表明 ,含有較大紅光比例LED光源對大花蕙蘭和蝴蝶蘭試管苗的影響優於含有較大藍光比例的LED光源 。嶽嵐[19]研究表明 ,在紅藍光比例為3∶1時牡丹品種“烏龍捧盛”和“洛陽紅”試管苗的各生長指標均較好 ,而胡紅試管苗在紅藍光比例為1∶1時生長良好 。但在全紅光和全藍光時試管苗植株較矮 ,長勢較差 。總體來說紅光有利於植物莖和根的伸長 ,促進形態建成,遠紅光和藍光處理的植株矮小 ,根短細 。

 

3.2光強選擇

對植物來說 ,光強即光合量子通量(PPF ,其單位為μmol/(m2·s)) ,是影響植物光合作用的重要參數之一 。Nhut等人研究發現 ,當PPF為60μmol/(m2·s)時 ,草莓組培苗的生長狀況最好 ;白鶴芋組培苗在60~70μmol/(m2·s)時 ,其地上部分和地下部分鮮重較高 。Anzelika等人[18]用四種不同波長的LED燈進行葡萄組培苗培養 ,發現適合葡萄組培苗生長的總的PPF值的範圍為40~55μmol/(m2·s) 。張婕等人對菊花的研究證明 ,光強為60μmol/(m2·s)時組培苗的株高 、葉數 、根數 、最長根長 、幹重等主要生長指標都顯著高於對照 。

3.3光周期選擇

陳育菘等人研究表明 ,龍膽出瓶指標最適合的LED光環境為藍光比例50% ,PPF為120μmol/(m2·s) ,光周期為16 h 。台糖研究所用日光燈研究龍膽最佳光環境為PPF 80μmol/(m2·s) ,光周期12Hr 。R.C.Jao等人研究表明 ,在光周期為16 h時 ,馬鈴薯組培苗在紅藍光同時照射時要比紅藍光交替照射的培養效果好 ,另外低PPF長時間照射要比高PPF長時間照射培養效果好 。

3.4供電方式選擇

賴建洲等人研究表明以直流電來驅動LED ,驅動器提供40 Hz供電頻率可比60 Hz更省電 。然而 ,要進一步降低成本可直接使用交流電來驅動 ,可免去交直流轉換電路的製作成本 。有研究表明 ,使用交流供電的全紅光LED進行彩色海芋組培苗生產是可行的 。Jao Ruey-Chi等人在對馬鈴薯的研究中表明 ,如果隻考慮生長率 ,LED在720 Hz(1.4 ms) ,工作比為50% ,光周期為16 h時 ,植物生長最佳 ;而如果主要考慮能耗問題 ,LED在180 Hz(5.5 ms) ,工作比為50% ,光周期為16 h時最節能 。

植物生長燈|LED組培燈|LED花期燈

4 LED光源在植物組織培養中的應用前景

4.1製約因素及對策

LED本身的一些缺點 ,如 :亮度低 、PN結散熱困難 、光斑亮度和色度均勻性差 ,以及價格高等都限製了LED在植物組織培養中的推廣和應用 ,不利於LED在植物組培產業化生產中的規模化應用 。而解決這個難題需要光電技術的發展與完善 ,以及相關政策法規的出台 ,隨著光電技術的發展 ,LED本身的技術難題必將迎刃而解 ,LED的價格也會有所降低 ,這都將有助於LED在組織培養中的廣泛應用 。

4.2發展趨勢

LED是新型的高效節能光源 ,在植物組織培養中用LED作為光源 ,不僅能降低組織培養的成本 ,同時由於LED光質 、光強可調 、窄波段等特點 ,使得對植物光生理學的研究更加深入 。未來LED在植物組織培養中的應用 ,應從照明裝置嚴格把關 ,選擇合適的LED ,考慮性能和可靠性及植物照明的特殊使用條件 ;結合LED的特點 ,合理地利用LED ,考慮LED額定工作條件,驅動電路的設計和電源的選用 ,結合環境調控的其它因素 ,如CO2施肥 、溫度調控等 。另外要跟植物生長調節劑的使用結合起來 ,使得LED在植物組織培養中的應用研究更加深入和係統 。

 

 

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