LED不同光質(zhì)對觀賞海棠組培苗生長及生理特性的影響

張曼曼，趙曉紅，魏宗法，柴姍姍，范義昌，高付鳳，胡艷麗

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點實驗室/山東果蔬優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 泰安 271018；2.蒙陰縣國有林場總場，山東 蒙陰 276200)

海棠系薔薇科(Rosaceae)蘋果屬(Malus)植物，代表品種有海棠花、海棠果、西府海棠、垂絲海棠、湖北海棠等，在各地都有栽培，應(yīng)用范圍很廣，春可賞妖嬈花姿，秋可觀累累碩果，對環(huán)境有較強的適應(yīng)性，是現(xiàn)代園林植物造景的常用樹種，是我國的傳統(tǒng)觀賞花木，在世界園林中占有重要地位[1，2]。海棠與蘋果親緣關(guān)系較近，且成花量極大，花粉活力高，花期長，常作為蘋果的授粉樹栽植[3]。組織培養(yǎng)作為海棠快速高效繁育的一種手段，一直是人們研究的重點[4，5]。

光在植物生長過程中起著至關(guān)重要的作用，它可以通過調(diào)節(jié)光合色素進(jìn)而影響植物的生長以及光合作用；光質(zhì)可以影響植物的生長和形態(tài)結(jié)構(gòu)，也能影響植物內(nèi)含物積累[6-8]。植物組織培養(yǎng)所需要的光主要來源于電光源，傳統(tǒng)電光源對植物的生物能效極低并且發(fā)熱量大，是植物組織培養(yǎng)過程中最高的非人力成本之一[9]，同時光源設(shè)計所選擇的波譜范圍較寬，無益于定量化研究。LED是發(fā)光二極管的簡稱，是半導(dǎo)體二極管的一種，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定的新型組培光源，具備窄波譜，能發(fā)出高純度的單色光[10，11]，波譜范圍可靈活選擇，可對光質(zhì)與光強做到精確調(diào)控，是用于研究單色光對植物影響的絕佳材料。目前國內(nèi)外已有LED在果樹如火龍果[12]、蔬菜如姜[13]和花卉如紫皮石斛[14]等的應(yīng)用報道，但有關(guān)LED不同光質(zhì)對海棠組培苗生長及其生理特性的研究鮮有報道。因此，本研究采用LED光源發(fā)射的紅、藍(lán)單色光譜與白光進(jìn)行對比試驗，通過對多項形態(tài)及生理生化指標(biāo)的測定及分析，比較不同光質(zhì)處理下海棠組培苗生長和生理特性方面的差異，以期獲得最有利于海棠組培苗生長的光質(zhì)，為其組培苗的高效繁殖、規(guī)模化生產(chǎn)以及培育壯苗、提高移栽成活率、增強幼苗長勢等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試材

供試材料為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)繁殖的性狀良好的海棠組培苗。試驗于2017年3月15日至2017年5月1日在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)組培室進(jìn)行，濕度60%～70%，在無菌條件下，將1.0～1.5 cm長勢一致的芽梢接種于培養(yǎng)瓶內(nèi)，每瓶接種3株，共45瓶，培養(yǎng)基配方為MS+0.8 μmol/L IBA+0.3 μmol/L NAA+30 g蔗糖+6.5 g瓊脂，pH 5.8。

1.2 試驗處理

將上述植物材料置于LED光質(zhì)下，紅(R)、藍(lán)(B)光質(zhì)各設(shè)為一個處理，以白光(W)為對照，每種光質(zhì)處理5瓶。調(diào)節(jié)電流及光源與植株的距離，使光強保持一致，具體光質(zhì)條件參數(shù)見表 1 。于(27±1)℃、光照16 h (6∶00—22∶00)條件下培養(yǎng)45 d，觀察植株形態(tài)，調(diào)查分化量、鮮重及干物質(zhì)等，并測定海棠組培苗葉片的SOD、POD活性等指標(biāo)，試驗設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。

表1 不同 LED 光譜能量分布的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 分化量、株高、干鮮重 從培養(yǎng)瓶中取出植株，統(tǒng)計分化量，以瓶為單位，取每瓶每芽平均值，增殖系數(shù)=誘導(dǎo)芽數(shù)/接種芽數(shù)；株高測定從植株基部到莖尖的長度，用直尺測量；清除干凈植株上的培養(yǎng)基塊，稱取鮮重；最后，將植株放入105℃烘箱殺青20 min，然后80℃烘干24 h至恒重，稱量干重，并計算其含水量。

1.3.2 海棠組培苗生理生化指標(biāo)測定 葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量的測定采用分光光度計比色法[15]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[16]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[17]；過氧化氫酶(CAT)活性采用Acbi等[18]的方法進(jìn)行測定。丙二醛(MDA)含量參照Madhava等[19]的硫代巴比妥酸(TBA)法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計并計算，用DPS v7.05軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)對海棠組培苗生長的影響

由圖1和表2、表3可知，不同 LED 光質(zhì)對海棠組培苗生長量有顯著影響。藍(lán)光LED處理植株生長旺盛，愈傷組織形成最好，株高、鮮重、干重顯著高于白光處理，分別為白光的1.28、1.53、1.33倍；增殖系數(shù)為白光處理的1.24倍，但差異不顯著。紅光LED處理組培苗增殖系數(shù)、鮮重、干重等與白光無顯著差異，分別為白光對照的69.59%、76.04%、88.10%，但葉片厚大，莖干粗壯。各光質(zhì)處理間植株含水量無顯著性差異。

圖1 不同 LED 光質(zhì)條件下海棠組培苗生長和莖段增殖情況

表2 不同LED光質(zhì)處理海棠組織培養(yǎng)的表觀生長情況

表3 不同 LED 光質(zhì)處理海棠組培苗的形態(tài)指標(biāo)

注：采用鄧肯氏方差分析，同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同光質(zhì)對海棠組培苗葉綠素含量的影響

由表4可知，紅光和藍(lán)光 LED 處理葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量與白光相比都有所降低，但差異不顯著。藍(lán)光處理下，葉綠素和類胡蘿卜素含量最低，分別為白光處理的77.60%和85.45%。

表4 不同LED光質(zhì)處理海棠葉綠素和類胡蘿卜素含量 (mg/gFW)

2.3 不同光質(zhì)對海棠組培苗抗氧化酶活性和MDA含量的影響

由表5可知，紅、藍(lán)LED單色光下海棠組培苗葉片 SOD、POD活性顯著低于白光處理，SOD活性分別為白光處理的26.07%和37.25%，POD活性分別為白光處理的17.36%和53.38%；紅光下CAT活性顯著提高，為白光的2.00倍；在不同光質(zhì)處理的組培苗中，藍(lán)光處理的 MDA 含量顯著高于白光處理，為白光的1.42倍，紅光下MDA含量顯著降低，僅為對照的73.55%。

表5 不同光質(zhì)處理海棠組培苗葉片的MDA含量及SOD、POD和CAT活性

3 討論與結(jié)論

光合色素具有吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換光能的作用，其含量的多少直接影響著光合作用的速率，葉綠素是光合作用中光傳導(dǎo)途徑和光反應(yīng)中心的重要結(jié)構(gòu)成分[20]。葉綠素 a 主要吸收波長為 640～660 nm 的紅橙光，葉綠素 b 主要吸收波長為430～450 nm 的藍(lán)紫光， LED 發(fā)射的單色紅光和藍(lán)光光譜分別與葉綠素 a 和葉綠素 b吸收的光波長相匹配[21]。楊長娟等[22]通過對洋桔梗組培苗增殖系數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，LED紅藍(lán)光(2∶1)處理的組培苗增殖量最高，是對照組日光燈處理的2.047倍。劉慧雯[23]研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光LED對鐵皮石斛組培苗擬原球莖的誘導(dǎo)率最高，且混合光中誘導(dǎo)率隨著藍(lán)光比例的減小而減小，相反紅光比例過大，增殖系數(shù)變小，這與本研究結(jié)果一致。本研究中紅、藍(lán)光質(zhì)下組培苗株高均高于白光處理，分別為白光的1.09倍和1.28倍，藍(lán)光下植株較為粗壯，驗證了紅光有利于莖的伸長，藍(lán)光有利于莖的橫向加粗，造成這些差異的原因可能為植株體內(nèi)光敏色素的生色團(tuán)和脫輔基蛋白存在多樣性，不同的生物體和不同活性狀態(tài)的光敏色素分子種類差別較大，對光質(zhì)的吸收利用效率不同，導(dǎo)致植物愈傷組織的再生芽數(shù)、株高、莖粗等差別較大[23]。同時，紅藍(lán)光質(zhì)還有可能調(diào)動了海棠組培苗內(nèi)源激素分泌變化，這與康孟利等[24]關(guān)于藍(lán)光、紅光效應(yīng)調(diào)動鐵皮石斛內(nèi)源激素的分泌和變化進(jìn)而對細(xì)胞增殖和分化產(chǎn)生影響的結(jié)論一致。但光質(zhì)效應(yīng)并不能代替激素的作用，而是一種與激素交互作用的補償/消減效應(yīng)[4]。

光質(zhì)能調(diào)節(jié)不同類型葉綠素蛋白復(fù)合物的形成，影響電子在光系統(tǒng)之間的傳遞，而光合色素的含量與組成直接影響葉片光合速率[25]。石鎮(zhèn)源等[26]研究表明，單色紅光和單色藍(lán)光處理下虎雪蘭組培苗幾種色素指標(biāo)的含量均較低；王亞沉等[27]研究發(fā)現(xiàn)，單一紅、藍(lán)光處理的碧玉蘭組培苗葉片色素含量均較低。本試驗也驗證了這一點，雖然不同光質(zhì)下組培苗葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量無顯著性差異，但紅藍(lán)光下色素含量均有不同程度下降，其中藍(lán)光下葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量與白光比分別下降22.40%和14.55%。

SOD、POD和CAT是植物細(xì)胞膜酶促防御系統(tǒng)的重要保護(hù)酶，對抗氧化酶活性以及MDA含量的測定可以用于評價植株受活性氧毒害、膜質(zhì)遭受傷害的程度[28]。本研究中，紅光下組培苗SOD、POD活性較白光下顯著降低，但CAT活性顯著提高，MDA含量顯著降低，原因可能是在其活性氧生成量不增加的前提下，通過CAT活性的顯著提高達(dá)到增強植株自身活性氧解毒能力的效果，帶來MDA含量的顯著降低，顯著減輕膜質(zhì)受傷害的程度[29]。LED藍(lán)光有利于提高煙草組培苗SOD活性，降低MDA含量，進(jìn)而有效地清除細(xì)胞中的超氧自由基，緩解對細(xì)胞質(zhì)的傷害[30]。而本研究中藍(lán)光下組培苗SOD、POD和CAT活性均比白光處理降低，MDA含量上升，與前人研究結(jié)果不一致，可能由于不同植株基因的差異，導(dǎo)致植株對光的響應(yīng)系統(tǒng)存在差異，從而引起植物生長、代謝等過程的差異[31]。

綜上所述，不同的LED光質(zhì)會對海棠組培苗的生長及生理特性產(chǎn)生明顯影響。藍(lán)光處理的海棠組培苗生長健壯、莖稈粗壯，其株高、干鮮重等顯著高于白光處理，藍(lán)光對海棠組培苗的生長有明顯的促進(jìn)作用，可以縮短培育周期，增大繁殖系數(shù)，培育優(yōu)質(zhì)壯苗，從而有利于海棠組培苗的高效生產(chǎn)。