摘要:采用红色LED(660±20nm)和蓝色LED(450±20nm)组合制成的LED灯管作为组培人工光源,研究光照度为35μmol?m-2?s-1时,红蓝光质比(R/B)分别为4、6、8、10的光环境培养条件下甘薯组培苗的生长情况,以相同光照度的荧光灯为对照,培育甘薯组培苗28d。结果表明:660nm红光和450nm蓝光组合可以有效抑制植物徒长,有降低地上部分含水率和提高根冠比的作用,荧光灯下生长的植株地上鲜重、叶片含水率和株高均最大,但是植株徒长,干物质积累不良。高的R/B处理能提高植株高度和根冠比,增大地下鲜重,降低地上含水率,有利于干物质积累;R/B为8时甘薯组培苗的地下鲜重和根冠比均最大;R/B变化对叶片光合色素含量没有显著影响。另外,LED光源的电能消耗与R/B值呈线性增加关系,并比荧光灯节能2716%～4810%。
关键词:LED;组培;R/B处理;甘薯;能耗
光是植物光合作用和获取能量的主要环境因子,是植物光合产物形成的基础,同时也是设施内环境的主导因子,决定着作物的生长发育与经济产量。植物对400-510nm蓝紫光段、610-720nm红橙光段和720-780nm远红光段反应最为敏感,其中可吸收的波长主要集中在蓝紫光段(波峰为450nm)和红橙光段(波峰为660nm),但不同植物的适宜光质都不尽相同[1]。
LED(LightEmittingDiode)即发光二极管,是一种节能环保、使用寿命长、体积小的新型光源,它发出的半波宽窄(±20nm)[2],能够实现精确的光质配比[325],将LED作为人工光源或者补光光源应用于设施园艺领域已经成为国内外的研究热点。目前,国内外研究已证明LED可成功用于香蕉[6]、地黄[7]、草莓[8]、白鹤芋[9]、菊花[10]、百合[11212]、葡萄[13]等植物组织培养,以及藻类生产[14]、植物工厂育苗和蔬菜生产[15219],但研究主要集中在单色光对植物品质的影响[728,11,14,20222]。研究表明,植物在纯红光照射下,植株干物质积累多,节间较长而茎较细,且叶片细小,总糖含量高;在纯蓝光照射下,植株干物重小,节间较短而茎较粗,伸长生长受到一定抑制。红蓝光质比(R/B)对植物生长的影响也有研究,但各试验中R/B取值较为单一[16,23224]或者不精确[7,25]。同时节能也是使用LED代替目前组培常用光源荧光灯的重要原因之一,但综观已有研究,均只利用了LED光谱可调的特性,研究了LED对植物生理品质的影响,忽略了对LED在组培生产中的电能消耗分析。
本研究拟采用LED组培专用灯管研究R/B对甘薯组培苗生长的影响,并对培育过程中的电能消耗进行分析。通过研究不同R/B对甘薯组培苗生长的影响和LED组培光源的能耗情况,希望能对今后LED在植物组培中的应用和经济可行性分析提供参考。
1 材料与方法
111 试验设置
甘薯组培苗由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所组培实验室提供;LED光源为中国农业科学院设施农业环境工程研究中心与深圳四海电气技术有限公司联合开发的同型号LED组培专用灯管,红光(波峰为660±20nm)、蓝光(450±20nm)交替均匀布置,每层布置7根;对照组光源采用松下36W三基色荧光灯(YZ36RL),每层布置3根。根据前人研究和前期试验结果,将光源的总光照度均设置为35μmol?m-2?s-1。
试验于2009年5-7月在组培室进行。选取三叶一心的甘薯组培苗接种在MS培养基上(添加20g?L-1蔗糖和513g?L-1琼脂),调节pH值为518～519,无激素添加,每瓶3株。控制每瓶中3株组培苗总质量为01401±01016g。组培容器为普通锥形玻璃瓶,容积为100mL,培养室中温度为23±012℃,相对湿度80±5%。黑暗预培养24h后,将组培苗放在设置不同R/B的LED灯管和荧光灯管下进行光照处理。试验共设5个处理(表1),每个处理6瓶。光周期为10h?d-1。采用德国Avantes公司生产的光纤光谱仪测定光照度,通过增加红光同时减少蓝光照度的方式完成R/B的设定。
光照度分布均匀性是温室太阳直射光环境的评价指标之一[26],参考连栋温室采光性能测试方法,光照度均匀性λ(≤1)用以下公式计算得出
λ=1-sE(1)
s=∑ni=1(Ei-E)2n-1(2)
其中,s为各个光照度测点的标准差,Ei为第i点(i是参考连栋温室采光性能测试方法选取的测点,i≤n,n=52)处的光照度,E为平均光照度。
112 项目观测
培养30d后,取出甘薯组培苗,用游标卡尺(±0102mm)测定株高、茎粗和根长等形态指标,株高是指从地面至植株顶端的最大距离,根长是指从地面至根末端的最大距离;采用德国Sartorius天平(型号BP221S,±011mg)分别称地上、地下鲜重后放入烘箱中,75℃烘干72h至恒重,称干重。同时取鲜样品,采用比色法测量叶绿素和类胡萝卜素含量,每瓶选取植株中间层完全展开的叶片012g,将叶片剪碎并置于1∶1的乙醇-丙酮混合液中,封口,在常温黑暗中浸提48h,直至叶片完全变白后用UNIC27200分光光度计测量其吸光度值,通过计算得到叶绿素和类胡萝卜素含量。同一指标3个重复,试验重复2次。试验数据采用3个重复的平均值±标准差,用SASv812数据处理软件进行统计分析,用Duncan检验进行显著性差异分析。2 结果与分析
211 LED光源物理性能分析
由表1可见,与对照(CK)相比,LED光源的光照度均匀性较低,保持在0155～0168,说明LED灯管的构造和LED芯片的封装角度还需要改进,如加装反光罩、提高芯片封装角度等。灯管下垂直温度采用在灯管垂直下方不同高度上布置热电偶进行连续24h监测的方法来测量。发现在灯下5cm处,荧光灯照射区域空气的温度比LED处理区高3℃以上。荧光灯散发的这部分热量会提高空气温度,一方面,导致组培瓶内明显的结露现象,当组培苗叶片紧贴瓶壁时,水珠会造成叶片的玻璃化,叶片发脆,出苗时会自动落下,严重影响组培苗品质;另一方面,这部分热量必须由空调制冷带走,相应会增加制冷费用。
212 不同R/B的LED光源对甘薯组培苗生长的影响
由表2可见,与对照(CK)相比,LED光源处理的甘薯组培苗的植株高度、地上部分质量差值均明显降低和减少,茎略粗、根略长但差异不明显,说明试验所用LED光源有抑制植株徒长的作用,荧光灯有促使甘薯组培苗徒长的作用,其中增重是指植株鲜重与原重的差值。进一步分析LED和荧光灯的光谱发现(图1),LED光谱中400-510nm的蓝光和610-720nm的红光的光照度之和占总照度的9815%以上,而荧光灯中仅为5218%,其余为510-610nm的绿光。据研究,绿光有使幼苗徒长的作用[27229],本试验中荧光灯处理(CK)中甘薯组培苗确实表现出徒长现象,而LED光源处理则对此有一定的抑制作用。
由表2还可看出,各LED光源处理中,随着R/B的增大甘薯组培苗的各项指标表现出一定的增加趋势,植株高度、地上部分质量增加差异较显著,而茎粗、根长的差异不明显。据研究,纯蓝光有抑制植物地上部分伸长的作用[24],植株干物重小、节间较短[30231],根部生长差[32],不利于葡萄试管苗的生根[33];纯红光有促进地上生长[29]、减小茎粗的作用[34],植物干鲜重、干物质比重较大,易诱导植物外植体发生不定根[11],有利于生根[32]。本试验与上述研究结果相一致,高的R/B有提高植株高度和地上部分增重、增大根长的作用,低的R/B则有增大茎粗的作用。213 不同R/B的LED光源对甘薯组培苗品质的影响
由表3可见,与对照(CK)相比,LED光源处理的甘薯组培苗的地上含水率、根冠比均明显降低和提高,地上鲜重略轻、地上干重和地下鲜重略高,但差异不明显。结合表2数据,可见试验所用LED光源可能有降低地上部分含水率、抑制地上部分徒长进而提高根冠比的作用,荧光灯可能有增大地上部分含水率、促使甘薯组培苗徒长、降低根冠比的作用。
由表3还可以看出,各LED光源中,随着R/B的增大,地上干鲜重、地下鲜重、根冠比以及地上含水率都表现出一定增加或者减小的趋势,地下鲜重、根冠比增加和地上含水率降低差异较显著,而地上干鲜重变化不显著,说明高的R/B能促进组培苗干物质的积累和根部生长,也与已有研究相一致[11]。根冠比是植物地下部分与地上部分鲜重的比值,为了提高组培苗在驯化期的抗逆能力,应该提高根冠比[35]。随着R/B的提高,根冠比先上升后略下降,LED8的根冠比最大,说明对根冠比而言,最适宜的R/B是8,低R/B和绿光都可能抑制组培苗生根。
综合根长、根部干鲜重数据,处理LED8的R/B能更好地促进根部生长,而荧光灯对照处理的根长、地下鲜重和根冠比都较小,根部发育不好,可能是因为较多的绿光造成地上部分徒长,向下输送的光合产物减少,影响了根部发育[35]。
214 不同R/B的LED光源对甘薯组培苗叶片光合色素含量的影响
光合色素约占干重的8%左右,可以收集和传递光能,在光合作用中起着决定性作用[1]。由表4中可以看出,与对照(CK)相比,LED光源处理的甘薯组培苗的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素含量略高,叶绿素a/b值和类胡萝卜素含量略低,但是差异均不显著。同时,随着R/B值的提高,叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总含量均略有增加,叶绿素a/b值和类胡萝卜素含量则均随着R/B的提高而有所下降,与阳生植物特性符合[36],但是5个处理均没有表现出差异。
215 不同R/B的LED光源对电能消耗的影响
试验采用的LED灯管由224颗功率为0104W的红色LED灯珠和44颗功率为0106W的蓝色LED灯珠组成,灯管内置直流电源效率为85%,其额定功率为1316W。测量4个LED处理的耗电量分别为0147kW?h?d-1、0154kW?h?d-1、0168kW?h?d-1、0175kW?h?d-1,每一层的耗电量与R/B呈线性增大关系,线性相关系数为0198。同时测量CK耗电量为1103kW?h?d-1。说明与对照(CK)相比,LED光源能明显节约电能,节电量为2716%～4810%,以处理LED8为例,比荧光灯节省电能3410%。试验周期为28d,则培养每株甘薯苗耗电量见表5。
3 结论与讨论
(1)LED光源有抑制植株徒长、降低组培苗地上含水率、提高根冠比的作用,荧光灯有促使甘薯组培苗徒长、增大地上含水率并降低根冠比的作用。本试验所用LED的光谱中,400～510nm的蓝光和610～720nm的红光的光照度之和占总照度的9815%以上,而荧光灯中仅为5218%,其余为510～610nm的绿光,使甘薯苗表现出徒长,这与绿光易使幼苗徒长的研究结果相符[27229]。LED光源处理均对徒长有一定的抑制作用,植物能合理分配向下输送的光合产物,进而提高根冠比。
(2)LED红蓝光对甘薯组培苗的生理状态有一定的调节作用,随着R/B值的提高,植株高度、增重、根长、地上干鲜重、地下鲜重表现出一定增大的趋势,而茎粗、地上含水率均表现出一定减小的趋势,但是根长、地上干鲜重、茎粗的差异不明显。这与已有研究认为红光可以促进地上生长、提高干物质比重、有助于生根的研究结果相符合[11,29,32],也与蓝光抑制地上部分伸长、减小干物重的研究结果相符合[24,30233]。对LED光源配置高的R/B,有利于提高植株高度、增重、地下鲜重,降低地上含水率。
(3)LED光源R/B值为8时,根部发育最好,植物能合理向下输送光合产物,地下鲜重和根冠比最大,地上部分和地下部分的相关性得到较好的协调[35]。
LED是新兴的节能光源,其光质可调、低耗电量、低放热量的突出优点和代替荧光灯的发展趋势已经得到共识。但是不同植物的适宜R/B值不尽相同,以后的试验中应选用不同作物,进一步探索红蓝光对植株生长发育的作用规律。试验中对耗电的研究还是初步的、粗浅的,同时由于LED放热量小而节省的空调耗电量也没有考虑,有待进一步探索。