LED新光源在铁皮石斛组织培养中的应用

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【摘 要】铁皮石斛因具备抗肿瘤、抗衰老、增强人体免疫力的功效而受到人们的极大需求，但野生铁皮石斛已濒临灭绝，而传统方法其组织培养环境中的光源模拟也存在很大问题。本文提到了将led作为一种新兴的电光源技术引入到铁皮石斛组培中，以解决其光源问题。与传统电光源相比，LED光源具有体积小、光强可调、冷光源、能效高等优点，通过试验研究进一步证实了LED光源可恰当产生铁皮石斛所需的最佳光质、光强与波长，为铁皮石斛组织培养成功提供了有效的保障。

【关键字】LED；铁皮石斛；培养；光质；光强；光周期

1 前言

铁皮石斛是兰科附生植物的重要代表植物，自古被列为“中华九大仙草之首，具有极高的药用价值，现代药理研究表明，铁皮石斛还具有抗肿瘤、抗衰老、增强人体免疫力及扩张血管的作用。它主要生于海拔1600m的山地半阴湿的岩石上，喜温暖湿润的气候和半阴半阳的环境，不耐寒。因生长周期缓慢而极难存活，加上人类的掠夺性采摘，野生铁皮石斛已濒临灭绝。20世纪80年代，铁皮石斛被国家列为重点保护的珍稀濒危药用植物[4]，但因其特殊的药用价值，将铁皮石斛进行规模化、集约化组织培养已迫在眉睫，这种需求也引发了对特种植物组织培养综合环境的研究。

在诸多影响植物生长发育的环境因子中，光照起到了至关重要的作用。适度光照不但是植物生长所需能量的来源，而且光合作用、光周期调节对于植物的生长发育、开花结果产生的作用也是其他环境因子无法取代的。光作为一种触发信号，影响着植物生长发育的许多方面，如种子发芽、脱黄化作用、营养形态学（ 茎的生长和叶的伸展）、24h节律的形成、基因表达、向地性和向光性[5]等。不同的光强和光质可以导致截然不同的生长形态，不同的植物种类对光的反应也不尽相同。

对于特殊植物品种来说，自然光照难以满足植物组织培养所需的环境，因而常利用电光源替代自然光源为其提供光照。目前，在组织培养研究中大都使用传统电光源，但传统电光源面临着三大难题：第一由于绿光、红外光和远红外光在传统电光源中占有比例较大，而植物又不能对其加以利用，使得植物能效仅为0.5%～1%，电能浪费极大；第二，发热量大。在传统电光源中有相当多的能量以热效应方式传递到环境中，使环境温度上升，增加了空调制冷的耗电量；第三，由于灯具表面的温度较高，难以近距离照射植物，降低了植物组织培养的空间利用率，灯具散热会引起组培瓶结露，也会对组培苗本身造成不良影响。

针对以上传统光源的3点不足之处，LED光源具备的新特性解决了传统光源无法解决的问题。第一，LED激发单色发光光谱，输出光谱的半波宽为±20nm左右，可以按照植物的不同需要进行不同搭配。选用的LED光谱吸收波峰可以完全与植物光合需求相吻合，避免了其他发热光谱的混入，具有光效高、耗能少的优势；第二，据统计，LED的耗电量仅为白炽灯的1/8、荧光灯的1/2【1-3】，大大降低了电能损耗；第三，LED为冷光源，可以接近植物表面照射，而不会出现叶片灼伤、瓶壁结露的现象，因此可以实现植物的集约化生产，极大地提高了组培室空间利用率。

本文应用LED新型光源对铁皮石斛组织培养进行了试验研究。首先介绍了试验素材、阐述了试验方法，接着分别从光质、光强和光周期3个方面对铁皮石斛组培影响进行试验，最后对LED光源在组培应用中所存在的问题进行了讨论，并给出相应结论。

2 组培实验素材与方法

2.1 组培实验材料

以铁皮石斛作为实验对象，采用无菌试管苗进行第一次组培，生根培养基为1/2MS + 0.2 mg・L-1 NAA +25 g・L值 蔗糖+6 g・L-1琼脂，将pH调至5.6～5.8。每个容积为350mL的玻璃瓶内接种外植体，选用高约3cm、鲜重约300 mg的铁皮石斛单腋芽，培养室相对湿度为80%±2%、温度为（20±2）℃。

2.2 组培试验方法

采用LED光源配比方法。根据植物对光的颜色敏感，尤其是对红、远红光和光蓝3种光的极其敏感性。植物生长所需的光合有效辐射（PAR）在波长400～700nm之间，其中在红光630～660nm之间对光合作用与光周期效应有显著影响；蓝光400～520nm之间时，叶绿素与类胡萝卜素的吸收比例最大。红光与蓝光组合的光谱能量分布与叶绿素吸收光谱一致，因此可以通过增加净光合速率促进植物的生长和发育[6]。LED能发射窄单色红光光谱和蓝光光谱，与叶绿素a、b的吸收波长是相匹配的，而且LED光源可区分出不同的光质，可通过不同配比组成合成光，进而影响组培苗的生长发育和生理指标。

以铁皮石斛幼嫩叶片为外植体，以不同LED充当光源，记录不同LED光源下铁皮石斛组培苗的生长数据，为铁皮石斛在LED下的组培繁殖提供一定的依据。选取生长健壮、无菌铁皮石斛植株，剪取幼嫩的叶片为外植体，以MS为基本培养基，通过改变LED的光质、光强、光周期等参数来研究不同LED对植株增殖培养和生根培养的影响。

3 LED光源在植物组织培养中的作用的实验研究

3.1 光质的改变对组培铁皮石斛的影响

利用LED作为铁皮石斛组培苗光源，研究发现：红光可促进铁皮石斛试管植株高度、节间长和生根率，但会降低叶绿素含量；蓝光可增加绿叶素、红萝卜素的含量并促进气孔的发育，还可使植株枝干生长粗壮；而使用其他光色的LED光源进行组培的效果不佳。试管培育铁皮石斛苗生长的最佳红蓝光比例为7∶3，即红光波长640nm、蓝光波长450nm。经过实践和Le Van等人的研究证实，在红蓝光比例为3∶1时愈伤组织的生长效果最佳，但100%的红光对愈伤组织的诱导率最高。[7]另外，红光有利于可溶性糖和淀粉的积累，可降低色素含量；而蓝光能够逆转此效应，可促进色素和可溶性蛋白的合成。红光和蓝光组合处理的叶中可溶性糖和淀粉含量以及根系活力均高于白光处理，尤以高R/B配比光处理的组培苗生长健壮、移栽成活率最高。但在全红光和全蓝光时，试管苗植株较矮、长势较差。

3.2 光强的改变对组培铁皮石斛的影响

植物的光强又被称为光合量子通量，其单位为μmol/（m2・s），它是影响植物光合作用的重要参数之一。铁皮石斛属于阴生植物光响应型植物，试在实验中我们发现不同的光强对铁皮石斛的生长发育有着不同的影响。在光强160μmol/（m2・s）的光强下，铁皮石斛组培苗的株高、叶数、根数、最长根长、干重等主要生长指标都显著增加；在300μmol/（m2・s）的光强下，铁皮石斛生长缓慢，甚至趋于停滞；在400μmol/（m2・s）的光强下，铁皮石斛生长停滞，从新生叶片开始枯黄，随后大面积叶片开始枯黄脱落，最终死亡。

3.3 光周期的改变对组培铁皮石斛的影响

试验中发现，不同光照时间下培育的铁皮石斛的发育也不同，光照时间在6～8h的铁皮石斛腋芽数鲜重等远远小于光照在10～12h的铁皮石斛；光照12h下的铁皮石斛组培苗的节间长度、株高和茎粗等综合指标均表现突出，并且节间出现明显的紫褐色斑点，这表明在这个光照周期下可以培育出高质量的铁皮石斛组培苗；而光照超过12h后的组培苗生长发育与光照在6～8h的组培苗类似，均生长缓慢并受到明显地抑制

4 LED在组培中的应用问题讨论

4.1 P/N结散热性问题

LED虽为冷光源，但因生产工艺问题仍然会导致P/N结中因有杂质而导致的发热，长期运行的LED因P/N结中的热量聚集而向外发散，导致外部空间中的温度升高，依然会导致空调制冷的耗电量增加、组培瓶内结露和对组培苗本身造成不良影响。

4.2 LED光照问题

现有的LED单颗照度无法满足植物生长需求，所以需要排列成矩阵形式并且尽可能地接近植物，这样才可以最大限度地提供植物所需的光并减少电能浪费，但因为发光角度固定，LED矩阵向下移动会产生光斑，从而影响植物的正常生长，导致无法将LED调整至最佳高度而导致能源浪费。

5 总结

LED光源在节能、散热、使用寿命等方面优于传统光源，但在二次配光方面还有欠缺，经试验得出最适合培育铁皮石斛的光质为R/B配比7∶3、红光波长640nm、蓝光波长450nm、光强为160μmol/（m2・s）、光周期为12h，在这样的LED下的铁皮石斛生长最好。现有的LED虽然依然有不足，但随着光电技术的进一步发展和相关国家的大力倡导，LED本身的技术问题一定会得以解决，未来的LED组培光源会得到大力推广并会成为主流组培光源。

参考文献

[1]杨雅婷，肖平，胡永逵，杨其长.LED在植物组织培养中的应用[J].

[2]徐志刚.LED应用于组培育苗工厂的意义及其创新研究[J].半导体照明，2010，8.

[3]郭威威，毕超，王兵.新型节能高效植物组培专用LED光源的研制与试验[J].2011（5）：1192，1195.

[4]鲍顺淑，贺冬仙，郭顺星.可控环境下光照时间对铁皮石斛组培苗生长发育的影响[J].2007，9（6）：90-9.

[5]廖祥儒，张蕾，徐景智，杜建芳.光在植物生长发育中的作用[J].2001，9.

[6]闫新房，丁林波，丁义，何松林.LED光源在植物组织培养中的应用[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

基金项目：

国家自然科学基金项目，基金号：61178081