LED新光源在鐵皮石斛組織培養中的應用

【摘 要】鐵皮石斛因具備抗腫瘤、抗衰老、增強人體免疫力的功效而受到人們的極大需求，但野生鐵皮石斛已瀕臨滅絕，而傳統方法其組織培養環境中的光源模擬也存在很大問題。本文提到了將LED作為一種新興的電光源技術引入到鐵皮石斛組培中，以解決其光源問題。與傳統電光源相比，LED光源具有體積小、光強可調、冷光源、能效高等優點，通過試驗研究進一步證實了LED光源可恰當產生鐵皮石斛所需的最佳光質、光強與波長，為鐵皮石斛組織培養成功提供了有效的保障。

【關鍵字】LED；鐵皮石斛；培養；光質；光強；光周期

1 前言

鐵皮石斛是蘭科附生植物的重要代表植物，自古被列為“中華九大仙草之首，具有極高的藥用價值，現代藥理研究表明，鐵皮石斛還具有抗腫瘤、抗衰老、增強人體免疫力及擴張血管的作用。它主要生于海拔1600m的山地半陰濕的巖石上，喜溫暖濕潤的氣候和半陰半陽的環境，不耐寒。因生長周期緩慢而極難存活，加上人類的掠奪性采摘，野生鐵皮石斛已瀕臨滅絕。20世紀80年代，鐵皮石斛被國家列為重點保護的珍稀瀕危藥用植物[4]，但因其特殊的藥用價值，將鐵皮石斛進行規模化、集約化組織培養已迫在眉睫，這種需求也引發了對特種植物組織培養綜合環境的研究。

在諸多影響植物生長發育的環境因子中，光照起到了至關重要的作用。適度光照不但是植物生長所需能量的來源，而且光合作用、光周期調節對于植物的生長發育、開花結果產生的作用也是其他環境因子無法取代的。光作為一種觸發信號，影響著植物生長發育的許多方面，如種子發芽、脫黃化作用、營養形態學（ 莖的生長和葉的伸展）、24h節律的形成、基因表達、向地性和向光性[5]等。不同的光強和光質可以導致截然不同的生長形態，不同的植物種類對光的反應也不盡相同。

對于特殊植物品種來說，自然光照難以滿足植物組織培養所需的環境，因而常利用電光源替代自然光源為其提供光照。目前，在組織培養研究中大都使用傳統電光源，但傳統電光源面臨著三大難題：第一由于綠光、紅外光和遠紅外光在傳統電光源中占有比例較大，而植物又不能對其加以利用，使得植物能效僅為0.5%～1%，電能浪費極大；第二，發熱量大。在傳統電光源中有相當多的能量以熱效應方式傳遞到環境中，使環境溫度上升，增加了空調制冷的耗電量；第三，由于燈具表面的溫度較高，難以近距離照射植物，降低了植物組織培養的空間利用率，燈具散熱會引起組培瓶結露，也會對組培苗本身造成不良影響。

針對以上傳統光源的3點不足之處，LED光源具備的新特性解決了傳統光源無法解決的問題。第一，LED激發單色發光光譜，輸出光譜的半波寬為±20nm左右，可以按照植物的不同需要進行不同搭配。選用的LED光譜吸收波峰可以完全與植物光合需求相吻合，避免了其他發熱光譜的混入，具有光效高、耗能少的優勢；第二，據統計，LED的耗電量僅為白熾燈的1/8、熒光燈的1/2【1-3】，大大降低了電能損耗；第三，LED為冷光源，可以接近植物表面照射，而不會出現葉片灼傷、瓶壁結露的現象，因此可以實現植物的集約化生產，極大地提高了組培室空間利用率。

本文應用LED新型光源對鐵皮石斛組織培養進行了試驗研究。首先介紹了試驗素材、闡述了試驗方法，接著分別從光質、光強和光周期3個方面對鐵皮石斛組培影響進行試驗，最后對LED光源在組培應用中所存在的問題進行了討論，并給出相應結論。

2 組培實驗素材與方法

2.1 組培實驗材料

以鐵皮石斛作為實驗對象，采用無菌試管苗進行第一次組培，生根培養基為1/2MS + 0.2 mg·L-1 NAA +25 g·L值 蔗糖+6 g·L-1瓊脂，將pH調至5.6～5.8。每個容積為350mL的玻璃瓶內接種外植體，選用高約3cm、鮮重約300 mg的鐵皮石斛單腋芽，培養室相對濕度為80%±2%、溫度為（20±2）℃。

2.2 組培試驗方法

采用LED光源配比方法。根據植物對光的顏色敏感，尤其是對紅、遠紅光和光藍3種光的極其敏感性。植物生長所需的光合有效輻射（PAR）在波長400～700nm之間，其中在紅光630～660nm之間對光合作用與光周期效應有顯著影響；藍光400～520nm之間時，葉綠素與類胡蘿卜素的吸收比例最大。紅光與藍光組合的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜一致，因此可以通過增加凈光合速率促進植物的生長和發育[6]。LED能發射窄單色紅光光譜和藍光光譜，與葉綠素a、b的吸收波長是相匹配的，而且LED光源可區分出不同的光質，可通過不同配比組成合成光，進而影響組培苗的生長發育和生理指標。

以鐵皮石斛幼嫩葉片為外植體，以不同LED充當光源，記錄不同LED光源下鐵皮石斛組培苗的生長數據，為鐵皮石斛在LED下的組培繁殖提供一定的依據。選取生長健壯、無菌鐵皮石斛植株，剪取幼嫩的葉片為外植體，以MS為基本培養基，通過改變LED的光質、光強、光周期等參數來研究不同LED對植株增殖培養和生根培養的影響。

3 LED光源在植物組織培養中的作用的實驗研究

3.1 光質的改變對組培鐵皮石斛的影響

利用LED作為鐵皮石斛組培苗光源，研究發現：紅光可促進鐵皮石斛試管植株高度、節間長和生根率，但會降低葉綠素含量；藍光可增加綠葉素、紅蘿卜素的含量并促進氣孔的發育，還可使植株枝干生長粗壯；而使用其他光色的LED光源進行組培的效果不佳。試管培育鐵皮石斛苗生長的最佳紅藍光比例為7∶3，即紅光波長640nm、藍光波長450nm。經過實踐和Le Van等人的研究證實，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。[7]另外，紅光有利于可溶性糖和淀粉的積累，可降低色素含量；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淀粉含量以及根系活力均高于白光處理，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。但在全紅光和全藍光時，試管苗植株較矮、長勢較差。

3.2 光強的改變對組培鐵皮石斛的影響

植物的光強又被稱為光合量子通量，其單位為μmol/（m2·s），它是影響植物光合作用的重要參數之一。鐵皮石斛屬于陰生植物光響應型植物，試在實驗中我們發現不同的光強對鐵皮石斛的生長發育有著不同的影響。在光強160μmol/（m2·s）的光強下，鐵皮石斛組培苗的株高、葉數、根數、最長根長、干重等主要生長指標都顯著增加；在300μmol/（m2·s）的光強下，鐵皮石斛生長緩慢，甚至趨于停滯；在400μmol/（m2·s）的光強下，鐵皮石斛生長停滯，從新生葉片開始枯黃，隨后大面積葉片開始枯黃脫落，最終死亡。

3.3 光周期的改變對組培鐵皮石斛的影響

試驗中發現，不同光照時間下培育的鐵皮石斛的發育也不同，光照時間在6～8h的鐵皮石斛腋芽數鮮重等遠遠小于光照在10～12h的鐵皮石斛；光照12h下的鐵皮石斛組培苗的節間長度、株高和莖粗等綜合指標均表現突出，并且節間出現明顯的紫褐色斑點，這表明在這個光照周期下可以培育出高質量的鐵皮石斛組培苗；而光照超過12h后的組培苗生長發育與光照在6～8h的組培苗類似，均生長緩慢并受到明顯地抑制

4 LED在組培中的應用問題討論

4.1 P/N結散熱性問題

LED雖為冷光源，但因生產工藝問題仍然會導致P/N結中因有雜質而導致的發熱，長期運行的LED因P/N結中的熱量聚集而向外發散，導致外部空間中的溫度升高，依然會導致空調制冷的耗電量增加、組培瓶內結露和對組培苗本身造成不良影響。

4.2 LED光照問題

現有的LED單顆照度無法滿足植物生長需求，所以需要排列成矩陣形式并且盡可能地接近植物，這樣才可以最大限度地提供植物所需的光并減少電能浪費，但因為發光角度固定，LED矩陣向下移動會產生光斑，從而影響植物的正常生長，導致無法將LED調整至最佳高度而導致能源浪費。

5 總結

LED光源在節能、散熱、使用壽命等方面優于傳統光源，但在二次配光方面還有欠缺，經試驗得出最適合培育鐵皮石斛的光質為R/B配比7∶3、紅光波長640nm、藍光波長450nm、光強為160μmol/（m2·s）、光周期為12h，在這樣的LED下的鐵皮石斛生長最好。現有的LED雖然依然有不足，但隨著光電技術的進一步發展和相關國家的大力倡導，LED本身的技術問題一定會得以解決，未來的LED組培光源會得到大力推廣并會成為主流組培光源。

參考文獻

[1]楊雅婷，肖平，胡永逵，楊其長.LED在植物組織培養中的應用[J].

[2]徐志剛.LED應用于組培育苗工廠的意義及其創新研究[J].半導體照明，2010，8.

[3]郭威威，畢超，王兵.新型節能高效植物組培專用LED光源的研制與試驗[J].2011（5）：1192，1195.

[4]鮑順淑，賀冬仙，郭順星.可控環境下光照時間對鐵皮石斛組培苗生長發育的影響[J].2007，9（6）：90-9.

[5]廖祥儒，張蕾，徐景智，杜建芳.光在植物生長發育中的作用[J].2001，9.

[6]閆新房，丁林波，丁義，何松林.LED光源在植物組織培養中的應用[J].2009，25（12）：42-45.

[7]Anzelika，Renata，Silva，et al In vitro cultivation of grape culture under solid-state lighting[J].scientific works of the Lithuanian

基金項目：

國家自然科學基金項目，基金號：61178081