紅藍LED光源對馬鈴薯組培苗形態生長、光合色素含量及礦質元素積累的影響

韓逸飛，顧天行，黃夢圓，陳麗麗

（寧波大學科學技術學院，浙江慈溪315300）

中國馬鈴薯種植面積和產量均居世界前列，馬鈴薯單產卻遠低于世界平均水平[1]，這與中國脫毒種薯推廣使用率低有關。大田生產中，推廣使用合格種薯是馬鈴薯高產的重要保障[2]；而培養健壯的馬鈴薯組培苗是種薯生產的重要環節[3,4]。

大量研究表明不同光質顯著影響植物組培苗生長。紅光促進大花蕙蘭、草莓、菊花、蝴蝶蘭、非洲菊等組培苗的節間伸長，增加株高[5-9]。Heo等[10]研究發現紅光抑制萬壽菊和鼠尾草莖的伸長生長。藍光則被報道抑制蝴蝶蘭、草莓、鐵皮石斛等組培苗的節間伸長，降低株高[6,8,11]。然而，藍光對莖的影響也有相反的報道，藍光下萬壽菊莖最長，是白色熒光燈下的3倍[10]。與單色光相比，紅藍組合光譜被廣泛報道促進組培苗生長。70%紅光+30%藍光下草莓組培苗生長良好[6]。紅光比例較高的紅藍組合光譜較藍光比例高的紅藍組合光譜更利于花蕙蘭和蝴蝶蘭組培苗的生長[12]。由上述研究可知，單色紅、藍光及紅藍組合光對植物組培苗的影響有一定的規律，但也因物種和品種不同存在一定的差異。在光源對馬鈴薯組培苗生長的研究方面，Aksenova等[13]發現紅光培養的馬鈴薯組培苗莖長而纖細，葉片小；藍光下馬鈴薯組培苗表現出莖稈低矮粗壯，葉片肥大。常宏等[14]研究表明紅光有利于馬鈴薯組培苗葉片數的增加；藍光則促進組培苗干物質積累和試管薯的形成，抑制株高生長。Ma等[15]發現660 nm的紅光比630 nm的紅光更能促進馬鈴薯組培苗生長。紅光處理的馬鈴薯組培苗徒長，而紅藍混合光處理有利于馬鈴薯組培苗的形根系生長、葉綠素合成及可溶性糖積累[16]。

植物對礦質元素的吸收和利用也受到光質影響[17,18]。研究表明，藍光增加葉用萵苣中大量元素Ca、P、K、Mg和微量元素Cu、Fe、Mn、B、Mo的積累量[19]；紅光和綠光促進絞股藍對Se和Ni的吸收[20]；紅藍組合促進生菜大量元素K、P、Ca、Mg和微量元素B的吸收[17]。礦質元素K、Ca、P、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn廣泛參與植物的形態建成及信號轉導、滲透調節等生理過程[21]。此外，對組培植物來說，了解這些礦質元素的吸收特性對優化培養基配方有重要參考作用。因此，研究光源對組培植物礦質元素的吸收利用十分重要。

目前，前人關于光質調控馬鈴薯組培苗生長方面的研究結論不盡一致，同時缺乏不同光質對馬鈴薯組培苗礦質元素積累與分配方面的研究。生產上馬鈴薯組培苗快繁，通常使用白色熒光燈照明，存在光能利用率低、散熱量大、能耗高、不環保等缺點。LED照明光源具有體積小、壽命長、節能環保、光譜窄、易調節等特點，近年來已廣泛被用作植物組織培養的照明光源[22,23]。本研究采用紅、藍單色LED光源及紅藍組合LED光源作光處理，以白色LED光源作對照，探索不同LED光質對馬鈴薯組培苗生長和礦質元素積累的影響，以期為馬鈴薯組培苗快繁中人工光源的選擇提供相關理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用‘中薯7號’馬鈴薯脫毒組培苗，由中國農業科學院蔬菜花卉研究所馬鈴薯研究室提供。

1.2 試驗設計

試驗采用4個光質處理：（1）100%紅光（R）；（2）100%藍光（B）；（3）70%紅+30%藍光組合（RB）；（4）白光（W）。其中，W作對照。

1.3 試驗條件

試驗在中國農業大學農學院南平房組培室內進行，溫度（23±3）℃，光周期為每天16 h（6∶00~22∶00）光照，8 h（22∶00至次日6∶00）黑暗，濕度（75±5）%，光合量子通量密度（Photosynthetic photon flux density，PPFD）為100 μmol/m2·s。試驗采用無任何激素添加的MS培養基[24]，pH調節至5.8，每組培瓶（購于北京易生組培有限公司，容積為350 mL）分裝50 mL培養基，在121℃下于高壓鍋內滅菌15 min。在超凈工作臺上，用組培剪剪下具有一葉的馬鈴薯組培苗單節莖段（約15 mm長）作為外植體，垂直接種至滅菌凝固后的組培瓶內，每瓶均勻接種15個外植體，各處理分別接種50瓶，置于各光處理下培養4周。

1.4 指標測定

（1）形態指標測定

測定馬鈴薯組培苗的株高、莖粗、株鮮重、株干重、葉片數和節間數。每個處理隨機選取10株測量。葉片數和節間數計數法計數，其中節間數僅統計有效節間數（即可用于剪切擴繁的莖段長度>10 mm）。鮮樣置于烘箱，先105℃殺青15 min，再80℃烘干至恒量，采用電子天平測定植株干、鮮重。壯苗指數=（莖粗/株高）×株干重。

（2）光合色素含量測定

葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量測定采用比色法，每個處理3個重復取平均值。

用95%乙醇提取光合色素，以95%乙醇為空白，在波長665，649和470 nm下測定吸光度（A665，A649，A470），按下列公式計算：

式中，Ca，Cb，Cx分別為葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素的質量濃度，單位mg/L。

式（4）中，C為色素質量濃度（mg/L），V為提取液體積（mL），N表示稀釋倍數，W為樣品重量（g）。

（3）礦質元素含量測定

采用ICP法[25]分別測定馬鈴薯組培苗葉片、莖和根中Cu、Fe、Mn、Zn、K、Ca、Mg和P的含量，每個處理6次重復。準確稱取0.500 g樣品粉末于預先洗干凈的消煮管中，加硝酸和高氯酸的混合酸（硝酸與高氯酸體積比為87∶13）5 mL，漩渦儀混勻，室溫下消化12 h以上，同時設定樣品空白管。將消煮管置于電熱消解儀上，按照50℃6 h，75℃2 h，100℃2 h，125℃3 h，150℃5 h，175℃2 h，190℃設定升溫程序，直至煮干，整個過程均在通風櫥中進行。消煮管冷卻后加入2%硝酸10 mL，漩渦儀混勻，置于水浴鍋上70℃加熱1 h，靜置過夜，將上清液轉移至離心管（如渾濁，需3 500 r/min離心10 min）。用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定Cu、Fe、Mn、Zn、K、Ca、Mg和P的含量。用干重和測得的元素含量計算出各元素的積累量和分配率。

1.5 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2016整理數據，采用Sigmaplot 12.5作圖；用R軟件對數據進行單因素方差分析和LSD檢驗，以P<0.05為顯著水平。試驗數據以平均數±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 不同LED光質對馬鈴薯組培苗形態生長的影響

光質顯著影響馬鈴薯組培苗生長（表1）。R處理組培苗株高較對照W增加5.46 cm；B則較W降低2.54 cm。R和B處理在組培苗莖粗上則表現出與株高相反的作用效果：R較W處理的莖粗減少0.10 mm；B處理則較W莖粗增加0.14 mm。雖然在馬鈴薯株高和莖粗上，RB處理與W處理并未呈現顯著差異（P>0.05），但RB處理株干重最高，顯著（P<0.05）高于W。R處理的馬鈴薯組培苗株鮮重和株干重最低，均顯著（P<0.05）低于W和其他處理。紅、藍單色光及組合光處理的組培苗葉片數和莖節數與白光處理無顯著差異（P>0.05）。B處理的組培苗壯苗指數最高，顯著（P<0.05）高于W和其他處理；RB處理次之，顯著（P<0.05）高于R和W處理；R處理最低，顯著（P<0.05）低于W和其他處理。總之，紅、藍單色光譜和紅藍組合光譜較白光顯著改變了馬鈴薯組培苗形態生長，單色藍光和紅藍組合光譜處理在一定程度上促進馬鈴薯組培苗壯苗生長。

表1 不同LED光質對馬鈴薯組培苗形態生長指標的影響Table 1 Effects of different LED light qualities on morphological growth of potato plantlets cultured in vitro

2.2 不同LED光質對馬鈴薯組培苗葉片光合色素含量的影響

由圖1可知，不同LED光質處理顯著改變了馬鈴薯組培苗葉片光合色素積累。與W相比，R處理顯著（P<0.05）降低馬鈴薯組培苗葉片葉綠素a和葉綠素（a+b）的含量，但并未顯著（P＞0.05）影響葉綠素b和類胡蘿卜素的含量。B和RB處理均顯著（P<0.05）降低馬鈴薯組培苗葉片的葉綠素a，葉綠素b，葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素的含量。相反，與W處理相比，B和RB處理卻顯著（P<0.05）增加馬鈴薯組培苗葉片葉綠素a/b的值；R處理則較W處理顯著（P<0.05）降低馬鈴薯組培苗葉片葉綠素a/b的值。上述結果表明，單色紅光有利于馬鈴薯組培苗葉片葉綠素b和類胡蘿卜素的積累；單色藍光和紅藍組合光譜則不利于馬鈴薯組培苗葉片光合色素的積累。

圖1 不同LED光質對馬鈴薯組培苗葉片光合色素含量的影響Figure 1 Effects of different LED light qualities on photosynthetic pigments of potato plantlets cultured in vitro

2.3 不同LED光質對馬鈴薯組培苗礦質元素積累與分配的影響

2.3.1 不同LED光質對馬鈴薯組培苗大中量元素積累的影響

與W相比，R處理顯著（P<0.05）降低K元素在馬鈴薯組培苗根、莖和葉中的積累；B處理顯著（P<0.05）降低K元素在馬鈴薯組培苗根中的含量，但并未顯著（P＞0.05）影響葉中K的含量；B處理顯著（P<0.05）增加莖中K的積累，較對照增加12.26%；RB處理顯著（P<0.05）降低K元素在組培苗根和葉部位的積累量，并未顯著（P＞0.05）影響該元素在莖中的含量。與W相比，不同LED光質處理均顯著（P<0.05）降低Ca元素在組培苗根中的積累量；R處理顯著（P<0.05）降低Ca在莖中的積累；B和RB處理顯著（P<0.05）降低Ca元素在組培苗葉中的含量。與W相比，R處理顯著（P<0.05）降低P元素在組培苗根和葉中的含量，分別降低7.41%和26.47%；B處理顯著（P<0.05）增加P元素在組培苗莖中含量，較對照提高22.58%。R處理較對照顯著（P<0.05）降低Mg元素在組培苗根和葉部位的含量，分別降低36.13%和14.75%；B和RB處理則增加Mg元素在組培苗根和葉中的含量，但并未達到顯著水平（P＞0.05）（圖2）。總之，單色紅光處理減少K、P和Mg元素在馬鈴薯組培苗根和葉部位的積累量，同時也不利于Ca元素在馬鈴薯組培苗根和莖部位的積累；單色藍光處理則顯著增加K和P元素在組培苗莖中的積累量。

圖2 不同LED光質對馬鈴薯組培苗根、莖和葉器官K、Ca、P和Mg元素積累的影響Figure 2 Effects of different LED light qualities on accumulations of K,Ca,P and Mg elements in organ of roots,stems and leaves of potato plantlets cultured in vitro

2.3.2 不同LED光質對馬鈴薯組培苗大量元素分配率及總積累量的影響

由圖3可知，馬鈴薯組培苗植株的K、P和Mg元素在R，B，RB和W處理下呈現出相似的積累量即RB>B>W>R。RB處理的組培苗Ca元素的植株積累量最高，與W基本相當；B處理的組培苗Ca元素的植株積累量最低；R處理的組培苗Ca元素的植株積累量居中。由此可見，B和RB處理提高了馬鈴薯組培苗植株K、P和Mg元素的總積累量。

由圖3可知，B和RB處理下，馬鈴薯組培苗K、P和Mg元素在各器官的分配率與W處理基本一致，即K和P元素分配率表現為：葉>莖>根；Mg元素分配率表現為：葉>根>莖。R處理下，組培苗K和P元素莖分配率均最高。總之，單色藍光和紅藍組合光譜處理并未明顯改變K、P和Mg元素在馬鈴薯組培苗根、莖和葉器官中的分配率；單色紅光則明顯改變了K、P、Ca和Mg元素在馬鈴薯組培苗各器官中的分配率。

圖3 不同LED光質對馬鈴薯組培苗根、莖和葉器官K、Ca、P和Mg元素分配率和總積累量的影響Figure 3 Effects of different LED light qualities on distribution ratios and total accumulations of K,Ca,P,and Mg elements in organ of roots,stems,and leaves of potato plantlets cultured in vitro

2.3.3 不同LED光質對馬鈴薯組培苗微量元素積累的影響

不同LED光質顯著影響Mn、Fe、Zn和Cu元素在馬鈴薯組培苗根、莖和葉器官中的含量（圖4）。與W處理相比，B處理顯著（P<0.05）增加馬鈴薯組培苗根部Fe、Zn和Cu元素的含量，分別較對照增加24.75%、44.59%和13.33%。R處理則顯著（P<0.05）降低組培苗根部Mn、Fe、Zn和Cu元素的積累量，分別較對照降低16.43%、57.02%、29.36%和44.47%。R處理顯著（P<0.05）降低組培苗莖中Mn和Fe元素的含量，分別較對照降低41.77%和33.89%。與對照相比，B處理并未顯著（P>0.05）影響組培苗莖中Mn、Zn和Cu元素的積累量，但顯著（P<0.05）降低莖中Fe元素的含量，較對照減少5.58%。與W相比，B和RB處理并未顯著（P>0.05）影響組培苗葉中Mn、Zn和Cu元素的積累量；R處理的組培苗葉中Mn元素含量較對照增加36.74%，但該處理的組培苗葉中Cu元素的含量較對照降低31.25%，二者差異均達到顯著（P<0.05）水平。總之，單色藍光顯著增加馬鈴薯組培苗根部Fe、Zn和Cu元素的積累量；單色紅光則顯著降低Mn、Fe、Zn和Cu元素的含量；不同LED光質處理對馬鈴薯組培苗莖和葉中微量元素積累的影響并未表現出明顯的規律性。

圖4 不同LED光質對馬鈴薯組培苗根、莖和葉器官Mn、Fe、Zn和Cu元素積累的影響Figure 4 Effects of different LED light qualities on accumulations of Mn,Fe,Zn and Cu elements in organ of roots,stems,and leaves of potato plantlets cultured in vitro

2.3.4 不同LED光質對馬鈴薯組培苗微量元素分配率及總積累量的影響

由圖5可知，與對照和其他處理相比，馬鈴薯組培苗植株Zn、Fe和Cu元素的總積累量在B處理下均最高，在R處理下均最低。與對照和其他處理相比，RB處理的組培苗植株Mn元素總積累量最高。由此可見，單色藍光有利于Zn、Fe和Cu元素在馬鈴薯組培苗中的積累，而單色紅光則減少上述元素在組培苗中的積累；紅藍組合光譜則促進Mn元素在組培苗中的積累。

由圖5可知，與W相比，R處理明顯增加Zn、Fe和Cu元素在組培苗莖中的分配率；B處理則降低上述3種元素在莖中的分配率，但增加這3種元素在根中的分配率。RB處理的馬鈴薯組培苗Mn、Zn、Fe和Cu元素在根、莖和葉器官中的分配率與對照處理的組培苗呈現基本一致的分配規律，即在RB和W處理的組培苗中Mn元素分配率表現為：葉>莖>根；Zn元素分配率表現為：葉>根>莖；Fe和Cu元素的分配率均表現為：葉>根>莖。綜上所述，與白光相比，單色紅光和單色藍光均明顯改變Zn、Fe和Cu元素在馬鈴薯組培苗各器官中的分配率；紅藍組合光譜處理的組培苗Mn、Zn、Fe和Cu元素在根、莖和葉器官中的分配率與白光處理的組培苗基本一致。

圖5 不同LED光質對馬鈴薯組培苗根、莖和葉器官Mn、Zn、Fe和Cu元素分配率和總積累量的影響Figure 5 Effects of different LED light qualities on distribution ratios and total accumulations of Mn,Zn,Fe and Cu elements in organ of roots,stems,and leaves of potato plantlets cultured in vitro

3 討論

Aksenova等[13]研究表明紅光下生長的馬鈴薯組培苗葉片小且莖細長；藍光下生長的則表現出莖稈低矮粗壯，葉片大而肥厚。常宏等[14]發現單色藍光抑制馬鈴薯組培苗株高生長，促進干物質積累。本試驗研究得到了類似的結果。與白光相比，紅藍混合光處理可促進‘克新13號’馬鈴薯組培苗形態生長[16]，而本試驗中RB處理后各項形態指標均與W處理無顯著（P＞0.05）差異，這可能與不同品種的馬鈴薯組培苗對光源的響應不同有關。本研究中紅光下組培苗的節間長和莖節數（RB和W處理除外）均顯著（P<0.05）高于對照和其他處理。有研究表明，在一定范圍內增大接種莖段長度有利于組培苗生長[26,27]。紅光可以提供較多的長莖段，因此，紅光可能更適用于組培苗擴繁，提高擴繁效率。藍光處理的組培苗壯苗指數顯著（P<0.05）高于對照和其他處理，這說明藍光促進馬鈴薯組培苗壯苗生長，可能更適合培養用于溫網室移栽生產原原種的組培苗。

在光質對植物光合色素積累的影響方面研究頗多，不同的研究得到的結果有所差異[28]。姜麗麗等[16]發現紅藍混合光處理顯著增加馬鈴薯組培苗葉綠素的含量，唐道彬等[29]在用不同光質處理馬鈴薯水培植株也得到類似結果。然而，本試驗中RB處理的馬鈴薯組培苗葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均顯著（P<0.05）低于W處理；同時，RB處理的組培苗葉綠素a含量低于R和B處理，葉綠素b含量低于R處理（圖1A）。由此可見，在本研究中紅、藍光和紅藍光組合處理均抑制馬鈴薯組培苗的光合色素積累。本試驗中葉綠素a/b的值在藍光下最大，在紅光下最小（圖1B），這與大部分研究結果一致[30]。陰生植物葉綠素a/b比值較小，能更好的利用遮光條件下的漫射光（藍紫光），陽生植物則相反。馬鈴薯屬于陽生植物，紅光下組培苗葉片葉綠素a/b比值最低，且顯著（P<0.05）低于對照和其他處理，呈現出陰生植物的特性，這說明紅光在一定程度上造成組培苗的隱蔽反應。相反，藍光下的組培苗葉綠素a/b比值最大，且顯著（P<0.05）高于對照和R處理，表明藍光是適合馬鈴薯組培苗生長的光質，這也在一定程度上解釋了藍光處理的馬鈴薯組培苗壯苗指數最高。

光質可以影響植物對礦質元素的吸收和分配，從而影響植物的生長發育。前人研究表明紅光和藍光均促進絞股藍對Ca、Fe、Zn、Cu的吸收，抑制其對P和Mn的吸收[20]。相反，本研究發現紅光不利于K、Ca、P、Mg、Mn、Fe、Zn和Cu的吸收，其中對Ca、Fe、Zn和Cu吸收的抑制最為明顯；藍光降低Ca和Mn的吸收，促進P、Zn和Cu的吸收。有研究報道紅光和藍光均增強水培生菜對Fe、Mn、Cu元素的吸收能力，降低對K、Ca和Mg元素的吸收[17]。紅光促進蒲公英對Ca、Fe、Mn、Zn元素的吸收[18]。這表明紅、藍單色光對不同植物礦質元素的吸收的影響不盡相同，這可能與植物本身的遺傳特性有關。紅藍組合光譜提高Ca、Mg、Fe元素在生菜中的積累量[31]。此外，有研究表明紅藍組合光譜通過增加藍莓組培苗的光合作用，促進其生長，同時顯著降低藍莓組培苗各器官對礦質元素的積累量，這與藍莓組培苗生長過快，而相關礦質元素未得到及時補給有關[25]；在紅藍光譜中增加綠光可顯著增加藍莓組培苗對礦質元素的積累量[25]。與之相反，本研究表明RB處理增加馬鈴薯組培苗K、P、Mg、Mn、Fe和Zn的總積累量，但降低了Fe、Zn、Cu 3種微量元素的吸收與積累，這可能與馬鈴薯組培苗整個生長期間大、中量礦質元素供應充足，確保RB處理的苗在快速生長階段能夠獲得所需礦質元素的及時補給；而微量元素未得到及時供給，造成積累量減少。本研究中Mg和Mn在元素含量和積累分配上對不同光質存在相似的反應，這可能與這兩種元素在植物體內存在一定的相互作用有關，因這兩種元素均為二價態的微量元素，其在植物體內的轉運體在某些情況下是可以共用的[25]。

因植物種類、品種，生長環境等因素影響會造成植物體內礦質元素的分配存在差異[32]。本研究結果表明光質改變了礦質元素在馬鈴薯組培苗各器官中的分配率。礦質元素在植物不同器官中的比例，可在一定程度上反映出相應元素在植物體內的分配情況及在不同器官和組織之間的遷移規律[32]。RB處理降低了葉部K、Ca、P的分配比率，這可能與紅藍光組合光質促進馬鈴薯組培苗的生長，消耗了相關的大中量元素，造成其葉部分配率較低有關。B處理顯著增加Fe、Mn、Zn、Cu四種微量元素在葉部的分配比率，這可能與藍光光譜下葉綠素含量較高，光合性能較強[33]，相關酶活性較高有關，因為這些微量元素是光合作用、糖代謝等基礎生命活動中生物酶的核心組成元素。總之，藍光和紅藍光組合通過增加健苗指數和P元素的積累，促進馬鈴薯組培苗健壯生長；紅光一定程度上造成馬鈴薯組培苗的隱蔽反應并抑制Ca等礦質元素的積累，不利于組培苗生長。