LED在植物離體培養中的應用與前景

賴瑞聯，馮 新，賴恭梯，張梓浩，陳裕坤，劉生財，林玉玲，賴鐘雄

(福建農林大學園藝植物生物工程研究所，福建 福州 350002)

發光二極管(light-emitting diode，LED)，是種將電能轉化為可見光的新型光源。20世紀80年代，LED首次應用于植物設施栽培試驗[1]，此后，逐步應用于植物的光形態建成與光合作用等有關光對植物機理影響的試驗[2，3]，在植物生命科學研究領域越來越受關注。植物離體培養是指在無菌條件下，將植物器官、組織、細胞或原生質體進行離體培養，使其再生細胞或完整植株的一項技術[4]，該技術發展幾十年來，包括冷陰極熒光燈(CCLF)[5]、無糖組培技術[6]、開放式組培技術[7-9]等在內的許多新技術得到了應用。目前，植物離體培養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[10]、蝴蝶蘭[11]、油菜[12]等研究表明，LED可作為植物離體培養的理想光源。此外，國內外也有不少學者對LED進行了優化和改良，使LED進一步適應試管植物的光源特性要求[13-15]。隨著光生物學技術的發展，LED在不同植物離體培養中的應用成為熱點問題，具有較好的應用前景。

1 LED應用于植物離體培養的優勢

LED誕生于20世紀60年代，其核心部位是P-N結構成的晶片，由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層以及中間的異質結構組成。N區富集有大量的自由電子，當電流通過導線流經晶片時，電子由N層向P層移動，并在P-N結與空穴復合，能量以輻射可見光的形式釋放[16，17]。

目前，用于植物離體培養的熒光燈、日光燈等普遍存在使用壽命短、易損壞、光質不純、易發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[18-20]。相比普通人工光源，LED應用于植物離體培養具有諸多優勢。(1)低能耗。普通光源條件下，植物離體培養所需電費通常占到了全部費用的40%-50%[21]，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[22]。如果LED大量用于植物離體培養，所節約的能源和成本將不容忽視。(2)體積小。LED體積小，便于常規修理維護，同時可直接安裝在培養容器上方，增加了培養室的有效利用空間，可設置多個培養層，進行立體培養，實現植物離體培養的小型集約化生產。(3)冷光源特性。LED幾乎不發熱，方便培養室的溫度控制，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±20 nm左右，根據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[23，24]，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，節省成本，減輕廢棄物污染。(6)光強和光質的可調性。LED通過改變導入電流大小，即可直接調節光強和光質，在植物離體培養中利于進行不同光照條件調控。

2 LED在植物離體培養中的應用

光是影響植物生長的重要環境因子。植物生長發育的光學效應與光源的光質、光照強度以及光周期等因素有關。不同光質會影響植物器官分化和細胞的分裂[25];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[26]。目前，在研究不同光質、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。

2.1 LED光質對植物離體培養的影響

研究不同光質對植物離體培養的影響所采用的傳統光源往往依據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[27]，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[28]。由于LED能較好地彌補這些缺點，利用LED研究不同光質對植物離體培養的影響成為一項重要技術。

2.1.1 對試管苗增殖的影響 楊長娟等[29]利用LED組合光源研究不同光質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。邸秀茹等[30]、張歡等[31]對菊花試管苗研究表明，不同光質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成分，彼此之間相互補充，從而提高增殖率。

2.1.2 對試管苗生長的影響 Lian et al[32]研究表明，LED紅藍復合光對百合試管苗生長最為有利。Nhut et al[33]發現LED紅、藍光7∶3復合照射時，草莓試管苗生長較好。這些研究結果與Shin et al[34]在朵麗蝶蘭的光質離體試驗中得出的結果一致。總體來說，不同光質的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可利用的光能分布不平衡有關。

2.1.3 對試管苗植株內含物的影響 在研究不同光質LED對試管植物植株體內物質合成的作用時，Jao et al[35]發現LED藍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]也通過試驗表明LED單色藍光有利于蝴蝶蘭試管苗可溶性蛋白質、淀粉以及游離氨基酸的合成。而楊紅飛等[37，38]的觀點卻與前兩者存在明顯不同，通過不同光質配比的LED對洋桔梗試管苗進行培養試驗表明，LED紅、藍光1∶1配比有利于其淀粉和可溶性蛋白質的合成。這種差異的形成可能與試驗材料不同有關，另一方面，LED藍光對試管植物體內各種物質的合成有積極的促進作用，而對不同內含物的具體影響又存在差別。

2.1.4 對試管苗光形態建成的影響 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，而LED藍光矮壯效果好。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LED對試管苗植株形態的影響主要表現為紅光LED促進植株的生長和光形態建成，而藍光LED抑制植株的伸長，這與柳金鳳等[41]、Cybularz-urban et al[42]的試驗結果較為相符。

2.1.5 對愈傷組織的影響 愈傷組織培養是植物離體培養的重要組成部分，已有不少學者就不同光質對愈傷組織的作用進行了探索[43，44]，而隨著LED在植物離體培養中的應用，有學者將LED替代普通光源進行愈傷組織試驗。羅麗媛等[45]用不同光質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光質精量調制后，在大蒜愈傷組織研究中，馬琳等[46]也發現紅光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，光質的選擇對愈傷組織生長的影響具有決定性作用。

2.2 LED光強對植物離體培養的影響

一般來說，環境條件適宜時，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，繼續增加光強，植物的生長不發生顯著變化，反而可能產生不利效果。在植物離體培養中，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，楊雅婷等[47]發現LED紅藍復合光光強為22.50 μmol·m-2·s-1時，甘薯試管苗生長最優，與其他處理組存在較大差異。閆新房[48]也利用LED新型光源培養架進行了相關試驗表明，LED紅藍光組合光強為70 μmol·m-2·s-1時，最有利于牡丹試管苗生長。而Kurilcik et al[49]研究表明，LED 復合光光強在45-55 μmol·m-2·s-1時，葡萄的生長最佳。比較三者可發現，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。

在同類植物中，Kurilcik et al[50]發現，LED 復合光在40 μmol·m-2·s-1光強下菊花試管苗生長最好。而張婕等[51]研究表明，LED光強為60 μmol·m-2·s-1時，菊花試管苗狀態較優，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器官的變化來間接測定。Nhut et al[52，53]研究發現，適宜的 LED 紅藍光組合，當光強為60 μmol·m-2·s-1時白鶴芋試管苗的根莖鮮重達到最大，而光強為60 μmol·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。

2.3 LED光周期對植物離體培養的影響

目前有關試管植物光周期效應的探討相對較少。Jao et al[54]利用LED紅藍光(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。

3 問題與展望

3.1 存在的問題

目前LED在植物離體培養中的應用仍存在一些問題。首先，由于價格昂貴，LED無法得到充分的推廣。LED的核心元件——芯片的費用在總成本中占有較大的比重，而我國高端的LED芯片多來自于國外，造成LED價格居高不下。高成本限制了LED在植物離體培養工廠化生產中的應用，但在科研方面LED仍是重要的應用工具[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中的應用。LED對自身P-N結的散熱能力有著嚴格的要求。LED為冷光源，芯片的耐熱程度有限，但工作過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光源存在光質的穩定性以及色度、亮度的均勻性等問題[58]，仍有待進一步改進。

3.2 前景展望

隨著現代光電技術的發展，LED生產工藝水平和結構材料必然得到不斷提高和更新，從而降低其生產成本并進一步優化性能，同時克服存在的缺陷，使LED更加適應植物離體培養的光源需求。

在研究光質和光強對植物離體培養的影響時，LED具有單色性，很可能淘汰光柵或單色儀，通過精確定量調配，從而獲得高純度的光源，提高光生物學實驗結果的準確性和科學性。

LED體積小，耗電量低，有利于其在常規植物離體培養中的應用。現階段，將LED應用于常規植物離體培養的報道較少，而普遍使用的光源設備存在較多不足，用更高效的LED替換這些普通光源設備更為迫切。使用LED光源的新型培養室，可將發光元件直接安裝在培養容器上方，利用余下的空間設置更多的培養層。隨著LED光源穩定性和均勻性問題的克服，不同培養位置上的植物接受的光照也將一致。利用LED構建的新型培養室可實現擴大利用空間，增加培養數量，減少電費成本，促進植物長勢一致，提高植物生長速度，節能環保等多重效益。

LED光照單獨可控性也將在常規植物離體培養中得到較好的應用。不同植物種類、同種植物不同生長階段的需光特性以及對試管苗的單一形狀進行改變時所需要的適宜光源不同，例如試管苗誘導培養和壯苗生根培養后期，選擇的最佳人工光源并不一致，常規培養室中使用的都為統一光源，并不能為植物的生長適時提供最優的光照條件，而這種需求在LED新型培養室中將成為可能。LED通過控制電流的大小即可對輻射光進行調控，因此可以在不同的試管苗培養區、不同處理區、試管植物不同的生長階段使LED發出不同的光，使光照具有更強的針對性，提高植物離體培養的效果和實驗的準確性。

植物離體培養受多種環境因素影響，因此，必須同時改善植物其他的生長條件，將LED的應用與培養室CO2/O2濃度比控制、濕度設置、培養基營養成分以及激素水平的調整相結合，以滿足試管植物的需求，提高LED的使用效果。隨著現代離體培養技術的進一步系列化和標準化，LED可以與CCLF、無糖組培技術、開放式組培技術等新科技結合使用，通過多元調整，使植物離體培養進一步發展。總之，隨著LED產業的進步，以及植物離體培養技術的提高，LED大規模應用于植物離體培養將成為一種趨勢。

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