LED不同光質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.山東農業大學園藝科學與工程學院/作物生物學國家重點實驗室/山東果蔬優質高效生產協同創新中心，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，應用范圍很廣，春可賞妖嬈花姿，秋可觀累累碩果，對環境有較強的適應性，是現代園林植物造景的常用樹種，是我國的傳統觀賞花木，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重要的作用，它可以通過調節光合色素進而影響植物的生長以及光合作用；光質可以影響植物的生長和形態結構，也能影響植物內含物積累[6-8]。植物組織培養所需要的光主要來源于電光源，傳統電光源對植物的生物能效極低并且發熱量大，是植物組織培養過程中最高的非人力成本之一[9]，同時光源設計所選擇的波譜范圍較寬，無益于定量化研究。LED是發光二極管的簡稱，是半導體二極管的一種，是一種高效、節能、環保、穩定的新型組培光源，具備窄波譜，能發出高純度的單色光[10，11]，波譜范圍可靈活選擇，可對光質與光強做到精確調控，是用于研究單色光對植物影響的絕佳材料。目前國內外已有LED在果樹如火龍果[12]、蔬菜如姜[13]和花卉如紫皮石斛[14]等的應用報道，但有關LED不同光質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光源發射的紅、藍單色光譜與白光進行對比試驗，通過對多項形態及生理生化指標的測定及分析，比較不同光質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，為其組培苗的高效繁殖、規模化生產以及培育壯苗、提高移栽成活率、增強幼苗長勢等提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試材

供試材料為山東農業大學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日在山東農業大學組培室進行，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瓶內，每瓶接種3株，共45瓶，培養基配方為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光質下，紅(R)、藍(B)光質各設為一個處理，以白光(W)為對照，每種光質處理5瓶。調節電流及光源與植株的距離，使光強保持一致，具體光質條件參數見表 1 。于(27±1)℃、光照16 h (6∶00—22∶00)條件下培養45 d，觀察植株形態，調查分化量、鮮重及干物質等，并測定海棠組培苗葉片的SOD、POD活性等指標，試驗設置3次生物學重復。

表1 不同 LED 光譜能量分布的主要技術參數

1.3 測定指標及方法

1.3.1 分化量、株高、干鮮重 從培養瓶中取出植株，統計分化量，以瓶為單位，取每瓶每芽平均值，增殖系數=誘導芽數/接種芽數；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)活性采用氮藍四唑(NBT)法[16]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法[17]；過氧化氫酶(CAT)活性采用Acbi等[18]的方法進行測定。丙二醛(MDA)含量參照Madhava等[19]的硫代巴比妥酸(TBA)法測定。

1.4 數據分析

所有數據用Microsoft Excel 2003進行統計并計算，用DPS v7.05軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同光質對海棠組培苗生長的影響

由圖1和表2、表3可知，不同 LED 光質對海棠組培苗生長量有顯著影響。藍光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、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。各光質處理間植株含水量無顯著性差異。

圖1 不同 LED 光質條件下海棠組培苗生長和莖段增殖情況

表2 不同LED光質處理海棠組織培養的表觀生長情況

表3 不同 LED 光質處理海棠組培苗的形態指標

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 不同光質對海棠組培苗葉綠素含量的影響

由表4可知，紅光和藍光 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光質處理海棠葉綠素和類胡蘿卜素含量 (mg/gFW)

2.3 不同光質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；在不同光質處理的組培苗中，藍光處理的 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 討論與結論

光合色素具有吸收、傳遞和轉換光能的作用，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途徑和光反應中心的重要結構成分[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 的藍紫光， LED 發射的單色紅光和藍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的研究發現，LED紅藍光(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]研究發現，藍光LED對鐵皮石斛組培苗擬原球莖的誘導率最高，且混合光中誘導率隨著藍光比例的減小而減小，相反紅光比例過大，增殖系數變小，這與本研究結果一致。本研究中紅、藍光質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，藍光下植株較為粗壯，驗證了紅光有利于莖的伸長，藍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光敏色素的生色團和脫輔基蛋白存在多樣性，不同的生物體和不同活性狀態的光敏色素分子種類差別較大，對光質的吸收利用效率不同，導致植物愈傷組織的再生芽數、株高、莖粗等差別較大[23]。同時，紅藍光質還有可能調動了海棠組培苗內源激素分泌變化，這與康孟利等[24]關于藍光、紅光效應調動鐵皮石斛內源激素的分泌和變化進而對細胞增殖和分化產生影響的結論一致。但光質效應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[4]。

光質能調節不同類型葉綠素蛋白復合物的形成，影響電子在光系統之間的傳遞，而光合色素的含量與組成直接影響葉片光合速率[25]。石鎮源等[26]研究表明，單色紅光和單色藍光處理下虎雪蘭組培苗幾種色素指標的含量均較低；王亞沉等[27]研究發現，單一紅、藍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，但紅藍光下色素含量均有不同程度下降，其中藍光下葉綠素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是植物細胞膜酶促防御系統的重要保護酶，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，顯著減輕膜質受傷害的程度[29]。LED藍光有利于提高煙草組培苗SOD活性，降低MDA含量，進而有效地清除細胞中的超氧自由基，緩解對細胞質的傷害[30]。而本研究中藍光下組培苗SOD、POD和CAT活性均比白光處理降低，MDA含量上升，與前人研究結果不一致，可能由于不同植株基因的差異，導致植株對光的響應系統存在差異，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光質會對海棠組培苗的生長及生理特性產生明顯影響。藍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，藍光對海棠組培苗的生長有明顯的促進作用，可以縮短培育周期，增大繁殖系數，培育優質壯苗，從而有利于海棠組培苗的高效生產。