LED脈沖光對擬南芥生長的影響

孫 苗，劉木清

(復旦大學 信息科學與工程學院 光源與照明工程系，上海 200433)

引言

光是調節植物生長發育最重要的環境因子之一[1]。自然界中的光環境是變化的，植物生長的光環境也會受到周邊環境的影響，如冠層形成的光斑與樹蔭會使植物接受到的光照不穩定[2]。近現代設施農業快速發展，人工照明廣泛應用于植物培育[3-5]。但人工照明通常提供恒定光功率的光照，與波動的自然光環境有著很大差別。早在1966年，就有研究顯示短脈沖光能誘導葉綠素的合成[5]。2014年，有研究表明隨著紅光閃光頻率的增加，番茄葉片的凈光合速率振蕩幅度減小并趨向穩定，光合效率隨之上升[6]。2016年，有研究結果表明脈沖光能促進黃瓜幼苗的光合速率和葉綠素含量[7]。本文旨在探究脈沖光與直流光對模式植物擬南芥生長發育的影響，為植物照明領域光環境的設置提供參考。

1 實驗材料

1.1 植物材料

擬南芥是植物科學中的模式生物之一，就如醫學中的小白鼠一樣。其之所以成為模式植物，主要是具有以下幾個優點：(1)擬南芥植株高10～30 cm，體積小，方便批量地在實驗室中培育；(2)擬南芥生長周期一般在6周(42天)左右，與生長期為幾個月的玉米、豌豆等相比，較短的生長期使得擬南芥受到植物學實驗的青睞；(3)擬南芥是第一個完成基因組序列測定的高等植物，只有5條染色體，基因組很小，方便進行基因庫構建、篩選，但它擁有的基因在功能類別上卻與其他植物相差不多。基于以上優勢，擬南芥作為一種模式植物適于植物學實驗。

本實驗中用到的是上海植物生理研究所提供的哥倫比亞野生型(Col)擬南芥幼苗，培育在蛭石配合營養土中，吸水性較好且土質松軟。

1.2 植物照明系統

為了滿足植物生長的光環境需求，本實驗采用的是5 000 K全光譜LED，能較好模擬日光光譜。每塊電路板上共焊28顆LED，每路7顆LED串聯，共4路并聯連接，以4×7矩形排列，如圖1所示。燈具上加有光學透鏡，能得到一個照度分布相對均勻的矩形光斑，與擬南芥的培育盒布局相符合，使得每株擬南芥接收到的光照強度基本一致。

圖1 LED模組電路Fig.1 The LED module circuit

照明系統采用明緯48 V驅動電源，將220 V市電轉為48 V恒壓輸出。LED驅動采用ZXLD1370多拓撲控制器，該芯片適用于6～60 V的工作電壓，開關頻率高達1 MHz，可以通過直流控制和高頻脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)控制實現高精度調光。具體的照明系統電路模塊設計如圖2所示。在本實驗中，采用的是100 Hz的PWM調光頻率。

圖2 照明系統電路框圖Fig.2 Lighting system circuit diagram

2 實驗方法

2.1 擬南芥處理

本實驗用哥倫比亞野生型擬南芥幼苗由上海植物生理研究所提供，培育在12孔育苗盒中。育苗盒總長19.5 cm、總寬14.5 cm、高11 cm。每株擬南芥培育在30 mm×30 mm的育苗盒孔中。為了讓擬南芥適應實驗室環境，將36株(3盒)擬南芥置于恒溫實驗箱中靜置處理2天，期間只按需澆水，不作其他處理。適應完畢后，從中選取24株(2盒)發育良好、形態更為相似的擬南芥作為本實驗對象，如圖3所示。

圖3 光照實驗前的擬南芥Fig.3 Arabidopsis before the light experiment

接受光照實驗前的擬南芥幼苗莖葉長約10～20 mm，每株8～10片葉片，形態相似，顏色相近，生長發育狀況良好。實驗過程中，兩組擬南芥(每組12株)均置于22 ℃的恒溫實驗箱中，每天接受16 h的光照(6：00—22：00)。每天定時定量澆水，密切留意植株的生長狀況并拍攝對比照片。光照實驗結束后，分別采集兩組擬南芥的葉片，對葉片面積、葉柄長度進行測量與數據分析。

2.2 光環境設置

照明光源的評價標準常用光通量(lm)、光強(cd)、照度(lx)、亮度(cd·m-2)等，這些光度量是基于人眼的視覺效應來評價光輻射，根據人眼視見函數來計量。對于植物照明，不能直接用傳統的光度量來衡量，需要一套針對植物自身光生理特性的評價標準[8]。光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)，定義為單位時間內通過單位面積的光合光子的摩爾數，單位為μmol/m2·s，該指標被植物照明研究領域廣泛認可[9]。本實驗中，用Kipper &ZONEN PQS 1和METEON數據顯示儀來測量PPFD。

本實驗設置了兩組光照環境，分別為直流光組和脈沖光組，其參數設置見表1。

表1 直流光和脈沖光參數Table 1 Parameters of DC (Direct Current)light and pulsed light

脈沖光組的PWM調光頻率設置為100 Hz，脈沖占空比設置為67%。兩組燈具模組分別固定在培養架上，PPFD均為100 μmol/m2·s。對于脈沖光組，100 μmol/m2·s為脈沖光照的峰值強度，由于占空比設置為67%，脈沖光組下的擬南芥實際接受的光照能量為直流光組擬南芥的67%。圖4直觀地反映了兩組光照條件的波形差異。

圖4 光波形示意圖。上為直流光波形，下為占空比67%的脈沖光波形Fig.4 Schematic diagram of opticalwaveform，with DC optical waveform on the top and pulse optical waveform with a duty cycle of 67% on the bottom

2.3 數據處理與分析

本文使用Image J圖像處理軟件對葉片面積和葉柄長度進行測量，采用SPSS STATICS 20軟件對實驗結果進行統計學分析。

3 實驗結果與分析

3.1 光照處理后擬南芥的形態差異

兩組擬南芥在不同光照條件下生長發育狀態良好，但在形態上呈現出了肉眼可見的差異，如圖5所示。首先，脈沖光組下的擬南芥較直流光組下的擬南芥體積更大，生長更為茂盛。其次，脈沖光組下的擬南芥葉片顏色更淺，為嫩綠色，而直流光組下的擬南芥葉片顏色為深綠色。

圖5 光照結束后的擬南芥。左側均為脈沖光組，右側均為直流光組Fig.5 Arabidopsis after the end of light exposure，with the pulse light group on the left and the DC light group on the right

3.2 光照處理后擬南芥的葉片面積差異

在光照結束后，分別在兩組擬南芥中隨機摘取三株擬南芥，從中擇取生長發育較完全的葉片進行葉片面積測量。脈沖光組擬南芥葉片平均面積為1.93 cm2，直流光組為1.69 cm2，脈沖光組葉片平均面積較直流光組增長了14.2%。對數據進行獨立樣本t檢驗，結果見表2。t檢驗結果顯示，p=0.278>0.05，即兩組光照條件下的葉片面積不存在顯著性差異。

表2 葉片面積獨立樣本t檢驗結果Table 2 T-test results of independent samples of leaf area

3.3 光照處理后擬南芥的葉柄長度差異

在光照結束后，對上述擇取的葉片進行葉柄長度測量。脈沖光組擬南芥葉柄平均長度為1.21 cm、直流光組為1.03 cm，脈沖光組葉柄平均長度較直流光組增長了17.5%。對數據進行獨立樣本t檢驗，結果見表3。t檢驗結果中t=3.666，p=0.014<0.05，存在統計學差異，即脈沖光對擬南芥葉柄伸長有明顯促進作用。

表3 葉柄長度獨立樣本t檢驗結果Table 3 T-test results of independent samples of petiole length

4 結論

本文研究了峰值PPFD為100 μmol/m2·s的脈沖光(占空比67%)與100 μmol/m2·s的直流光對擬南芥幼苗生長發育的影響。從形態上來看，脈沖光下的擬南芥幼苗生長體積更大、葉片顏色更淺。從數據分析上來看，在脈沖光和直流光光照處理后，兩組的擬南芥葉片面積不存在顯著性差異，而葉柄長度存在顯著性差異，即脈沖光組下的擬南芥葉柄更長，符合肉眼觀察到的情況。

本實驗中脈沖光的峰值強度與直流光相同，實際脈沖光組下的擬南芥接收到的光照能量為直流光組下的67%。因此，本實驗結果是光強和波動光共同影響形成的。但根據擬南芥葉片光合作用的光響應曲線[10](圖6)，在200 μmol/m2·s以下，擬南芥的凈光合速率隨著光強的增加而線性升高。據此可以推論，脈沖光對擬南芥光合作用的促進效果遠大于光強對其影響，這為植物照明中光環境的設置提供了一個新思路。

圖6 擬南芥葉片光合作用的光響應曲線[10]Fig.6 The light response curve of photosynthesis in Arabidopsis leaves