不同LED光照處理對擬南芥種子萌發的影響

吳　冰，徐　永

(福建農林大學光電子農業工程與技術研究中心　350002)

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不同LED光照處理對擬南芥種子萌發的影響

吳冰，徐永

(福建農林大學光電子農業工程與技術研究中心350002)

通過調節不同的紅光(λ=660 nm)、綠光(λ=525 nm)、藍光(λ=445 nm)比值而設定一系列不同的光譜結構對擬南芥種子進行萌發試驗，結果表明：紅光可顯著提高種子發芽率、促進胚根及胚軸的生長；藍光則完全相反，顯著降低種子發芽率、抑制胚根及胚軸的生長；綠光與紅光混合輻射可減弱紅光對種子發芽、胚根及胚軸生長的促進作用；當綠光與藍光混合輻射時可顯著減弱藍光對種子發芽及胚根生長的抑制作用，對胚軸的生長則沒有顯著影響。建議在擬南芥種子萌發過程中使用紅、綠兩種光質混合輻射種子。

擬南芥；種子萌發；LED光源；光譜結構

擬南芥屬于十字花科擬南芥屬植物，具有顯花植物的全部特征。因其植株小、生育期短、種子量大、自交親和以及基因組小[1]，成為現在生物學研究的模式植物。但其種子非常小、幼苗極其弱，培育有一定的困難。國內外大量研究表明，光是控制植物生長發育的重要環境因子，能夠從種子萌發、形態建成、開花到孕育種子等各個生長階段調控其生長發育。Whitelam等[2]發現，在黑暗條件下擬南芥種子萌發后的幼苗尖端的生長明顯受到抑制，且子葉仍然保持閉合狀態；當轉移到光照條件下，幼苗尖端的生長重新激活并長出真葉。Borthwich 等[3]研究發現，紅光可以促進生菜種子的萌發，而遠紅光則起相反作用。Folta等[4]則認為綠光對植物生長而言不是停止其生長就是抑制其生長。李曉陽等[5-6]先后研究了He-Ne激光處理以及UV-B輻射對擬南芥種子萌發的影響，發現短時間的He-Ne激光輻射以及低劑量的UV-B輻射均可提高擬南芥種子發芽率以及促進其根生長。本研究設置不同光環境照射擬南芥種子，探尋可提高種子發芽率、使幼苗健壯的光譜結構，為擬南芥種子萌發及幼苗栽培提供科學依據。

1　材料與方法

1.1植物材料

哥倫比亞野生型擬南芥。

1.2光環境設計

根據葉綠素a、葉綠素b的吸收光譜，定制分別位于紅藍光波段葉綠素a、葉綠素b吸收峰值附近的波長為660 nm的紅光LED光源(R)、波長為445 nm的藍光LED光源(B)，以及波長為525 nm的綠光LED光源(G)。將這3種光源芯片集成到同一LED燈珠中制成培養箱(圖1)，光照強度、光譜結構、光照時間均可分別、單獨、任意調節。制作完成后進行光均勻度測試(圖2)，與購買的培養箱相比，其光均勻性非常高，適合用于植物培養等實驗。并以色溫為6212 K的白色熒光燈作為對照組，各組光環境設置如表1所示。

1.3光照處理

先將擬南芥種子放在4℃冰箱、黑暗條件下進行春化處理3 d。取21只直徑為100 mm的培養皿，在每個培養皿中平鋪約1 cm厚的蛭石，再覆蓋2層濾紙后，用1 mm播種槍播40粒經春化處理后的擬南芥種子。分成7組(處理)，每組3個重復，放入已設定特定光譜結構(表1)的培養箱中進行發芽試驗，光照16 h、溫度(22±2)℃、濕度(80±5)%、光照強度80 μmol/(m2·s)，7 d后計算發芽率。

注：R-紅光光源，波長660 nm；G-綠光光源，波長525 nm；B-藍光光源，波長445 nm。

2　結果與分析

2.1不同光照結構對種子發芽率的影響

由表2可知，第1組(R=100%)種子(純紅光)的發芽率最高，為98.61%，較對照組增加2.60%，差異達顯著水平。第6組(B=100%)種子(純藍光)的發芽率最低，為88.61%，較對照組下降7.80%，差異達顯著水平。第2組(R=80%,G=20%)較第1組(R=100%)發芽率降低1.41%，差異不顯著；較對照組上升1.15%，差異也不顯著。第5組(G=20%,B=80%)較第6組(B=100%)發芽率升高8.15%，差異達顯著水平；較對照組下降0.29%，差異不顯著。說明紅光可顯著促進種子萌發，藍光則表現顯著抑制作用；當綠光與紅光混合時則可減弱紅光的促進作用，但仍促進種子萌發；綠光與藍光混合可顯著減弱藍光的抑制作用，但仍可抑制種子萌發。

表2　不同光譜處理下種子的發芽率 (單位：%)

2.2 不同光譜結構對擬南芥胚根及胚軸的影響

根系作為植物的一個重要的營養器官，吸收植物生長必需的營養成分及水分。胚根的長度則是評價種子萌發后生長發育狀況的一個重要指標，根系的發達程度直接影響幼苗移栽的存活率。不同光譜結構輻射處理對擬南芥胚根及胚軸長度的影響結果分別見圖3和圖4。

從圖3可知，第1、2組擬南芥胚根長均顯著高于對照組，分別增加61.85%和37.04%，差異達顯著水平；第3、4、5、6組的胚根長均顯著低于對照組，分別下降35.80%、43.21%、50.25%、58.89%。純紅光輻射處理的擬南芥胚根最長，純藍光輻射處理的最短。說明紅光可顯著促進胚根生長，而藍光則顯著抑制其生長。且第2組擬南芥胚根長較第1組顯著降低15.33%，第5組較第6組增加21.02%，即相比純紅光處理，在紅光中混合部分綠光輻射后擬南芥胚根長下降；而相比純藍光處理，藍光中混合部分綠光輻射后其胚根長顯著增加。說明綠光對擬南芥胚根生長的影響主要取決于同紅光或藍光混合，當綠光與紅光混合輻射時，綠光可減弱紅光對胚根生長的促進作用，但較對照組仍有顯著促進胚根生長的效果；當綠光與藍光混合輻射時，綠光可減弱藍光對胚根生長的抑制作用，但較對照組仍有顯著抑制胚根生長的效果。

從圖4可知，第1組和第2組擬南芥胚軸長均高于對照組，分別增加239.26%、96.32%，差異均達顯著水平；第4、5和6組的胚軸長均低于對照組，分別下降28.22%、36.81%、34.36%，差異均達顯著水平。即純紅光輻射處理的擬南芥胚軸最長，而純藍光輻射處理的最短。說明紅光可顯著促進擬南芥胚軸生長，而藍光則顯著抑制其生長。且第2組擬南芥胚軸長較第1組顯著下降(42.13%)，而第5、6組胚軸長無顯著差異。說明綠光在同紅光混合輻射時會減弱紅光對胚軸生長的促進作用，但較對照組仍有顯著促進胚軸生長的效果；綠光與藍光混合輻射對于藍光對胚軸生長的抑制作用沒有明顯影響。

3　討論

試驗結果表明，紅光不僅可以提高擬南芥種子發芽率，同時還可顯著促進其胚根及胚軸的生長，但是幼苗過于瘦弱，移栽時不易成活；藍光則相反，不僅顯著抑制擬南芥種子的發芽，還顯著抑制胚根及胚軸的生長，幼苗雖然較純紅光輻射的健壯，但是由于根系太短，移栽后也不易成活；而綠光對擬南芥種子萌發的影響主要取決于其與紅光或藍光混合，當綠光與紅光混合輻射時可減弱紅光對種子發芽的促進作用，但是效果并不顯著，卻可顯著減弱紅光對胚根及胚軸生長的影響，但相比對照組，均表現為促進作用；當綠光與藍光混合輻射時，可顯著減弱藍光對種子發芽及胚根生長的抑制作用，但相比對照組，仍表現為抑制作用，對胚軸的生長則沒有顯著影響。可見，在本試驗中綠光并不是如Flota等[4]報道的對植物只有抑制生長或者停止生長的影響。

因此，為了提高擬南芥種子的發芽率，且獲得比較健康壯碩的幼苗，從而提高幼苗成活率，應在擬南芥種子萌發過程中使用紅、綠兩種光質按紅多綠少的比例混合輻射種子，具體的最佳光譜結構及環境條件有待進一步試驗。

[1]陳璋.擬南芥：植物分子生物學研究的模式物種[J].植物學通報，1994，11(1)：6-11.

[2]WHITELAM GC，HALLIDAY KJ.Light and Plant Development[D].UK：Oxford，2007.

[3]BORTHWICK HA，HENDRICKS SB，PARKER MW，et al.A reversible photoreaction controlling seed germination[J].Botany，1952，38：662-666.

[4]FOLTA KM，MARUHNICH SA.Green light：a signal to slow down or stop[J].Journal of Experimental Botany，2007，58(12)：3099-3111.

[5]李曉陽，陳慧澤，韓榕.He-Ne激光處理對擬南芥種子萌發和幼苗生長特性的影響[J].西北植物學報，2012，32(1)：131-135.

[6]李曉陽，陳慧澤，韓榕.UV-B輻射對擬南芥種子萌發和幼苗生長的影響[J].植物學報，2013，48(1)：52-58.

(責任編輯：林蕓青)

Effects of different LED light treatments on the germination ofArabidopsis

WU Bing, XU Yong

(ResearchCenterofOptoelectronicAgricultureEngineeringandTechnology,FujianAgricultureandForestryUniversity,FujianProvince350002)

Effects of different lights with different spectral structures, which include red light (λ=660 nm), green light (λ=525 nm) and blue light (λ=445 nm), on seed germination ofArabidopsiswere studied. The results showed that the red light could significantly improve the seed germination rate ofArabidopsis, and promote the growth of radicle and hypotocyl; completely contrary results were observed when treated by blue light. The significant improvement of the seed germination rate ofArabidopsis, and its growth of radicle and hypotocyl by red light could be weakened by mixed green and red light illumination treatment. The treatment by mixed green and blue light could weaken the depression of seed germination and growth of radicle by blue light illumination, but not on growth of hypotocyl.Therefore, mixed red and green light treatment was recommended for seed germination ofArabidopsis.

Arabidopsis; seed germination; LED light source; spectral structure

2016-05-15

吳冰，男，1990年生，碩士研究生。

徐永，男，1959年生，教授(E-mail:emailyxu@gmail.com)。

福建省科技重大專項(2014NZ0002-2)。

10.13651/j.cnki.fjnykj.2016.06.001