LED在植物离体培养中的应用与前景

赖瑞联，冯 新，赖恭梯，张梓浩，陈裕坤，刘生财，林玉玲，赖钟雄

(福建农林大学园艺植物生物工程研究所，福建 福州 350002)

发光二极管(light-emitting diode，LED)，是种将电能转化为可见光的新型光源。20世纪80年代，LED首次应用于植物设施栽培试验[1]，此后，逐步应用于植物的光形态建成与光合作用等有关光对植物机理影响的试验[2，3]，在植物生命科学研究领域越来越受关注。植物离体培养是指在无菌条件下，将植物器官、组织、细胞或原生质体进行离体培养，使其再生细胞或完整植株的一项技术[4]，该技术发展几十年来，包括冷阴极荧光灯(CCLF)[5]、无糖组培技术[6]、开放式组培技术[7-9]等在内的许多新技术得到了应用。目前，植物离体培养所广泛使用的荧光灯、高压钠灯等普通人工光源存在一定的局限，而LED具有这些光源所不具备的优良特性，因此人们尝试用LED替代这些普通人工光源。通过对马铃薯[10]、蝴蝶兰[11]、油菜[12]等研究表明，LED可作为植物离体培养的理想光源。此外，国内外也有不少学者对LED进行了优化和改良，使LED进一步适应试管植物的光源特性要求[13-15]。随着光生物学技术的发展，LED在不同植物离体培养中的应用成为热点问题，具有较好的应用前景。

1 LED应用于植物离体培养的优势

LED诞生于20世纪60年代，其核心部位是P-N结构成的晶片，由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层以及中间的异质结构组成。N区富集有大量的自由电子，当电流通过导线流经晶片时，电子由N层向P层移动，并在P-N结与空穴复合，能量以辐射可见光的形式释放[16，17]。

目前，用于植物离体培养的荧光灯、日光灯等普遍存在使用寿命短、易损坏、光质不纯、易发热以及植物吸收率低等不理想效果。而LED具有耗电量低、体积小、冷光源、单色性好、寿命长等特点[18-20]。相比普通人工光源，LED应用于植物离体培养具有诸多优势。(1)低能耗。普通光源条件下，植物离体培养所需电费通常占到了全部费用的40%-50%[21]，而同等光照效果，LED光源耗电量仅约为普通光源的1/8、荧光灯的1/2[22]。如果LED大量用于植物离体培养，所节约的能源和成本将不容忽视。(2)体积小。LED体积小，便于常规修理维护，同时可直接安装在培养容器上方，增加了培养室的有效利用空间，可设置多个培养层，进行立体培养，实现植物离体培养的小型集约化生产。(3)冷光源特性。LED几乎不发热，方便培养室的温度控制，减少制冷费用，进一步压缩成本，而且光源近距离照射植物时，不会造成瓶壁结露，也可避免植物因温度过高而灼伤甚至死亡。(4)单色性好，光质纯度高。普通人工光源的辐射光谱范围较宽，而植物的光效应对光源的波长有一定要求，故植物的利用效率往往较低。而LED光源半波宽在±20 nm左右，根据不同植物需求选择光源后，LED光谱吸收波峰与植物需光波长几乎吻合[23，24]，生物效能较好。(5)不易损坏，寿命长。LED使用寿命比普通人工光源长得多，且抗震效果好，不易损坏，减少维修更换，节省成本，减轻废弃物污染。(6)光强和光质的可调性。LED通过改变导入电流大小，即可直接调节光强和光质，在植物离体培养中利于进行不同光照条件调控。

2 LED在植物离体培养中的应用

光是影响植物生长的重要环境因子。植物生长发育的光学效应与光源的光质、光照强度以及光周期等因素有关。不同光质会影响植物器官分化和细胞的分裂[25];不同光照强度通过影响植物光合作用的强弱，作用于植物生长;而光周期较多影响植物的成花[26]。目前，在研究不同光质、光强对试管植物的影响中LED的应用较多，而在研究光周期效应时使用较少。

2.1 LED光质对植物离体培养的影响

研究不同光质对植物离体培养的影响所采用的传统光源往往依据人眼对光的适应性进行选择，这些光不是只含单一波长的单色光，光谱范围与试管植物的需求通常也不相称，试管苗吸收率较低，且难以具体确定最符合生物特性的波长[27]，故以往实验中也常常用滤光片和吸滤光片或单色仪等对光源光谱进行窄化，但其操作复杂，光量低且光谱不能精确定量，容易影响实验的准确性和可比性[28]。由于LED能较好地弥补这些缺点，利用LED研究不同光质对植物离体培养的影响成为一项重要技术。

2.1.1 对试管苗增殖的影响 杨长娟等[29]利用LED组合光源研究不同光质对洋桔梗试管苗增殖的影响表明，LED红、蓝光2∶1配比，试管苗增殖率最高。邸秀茹等[30]、张欢等[31]对菊花试管苗研究表明，不同光质LED组合形成的复合光明显提高试管苗的增殖效果。这些研究结果都说明了LED复色光对试管苗增殖具有促进作用，这可能因为不同光质影响植物器官分化的方式和程度不同，而相比单色光，复色光包含不同光质成分，彼此之间相互补充，从而提高增殖率。

2.1.2 对试管苗生长的影响 Lian et al[32]研究表明，LED红蓝复合光对百合试管苗生长最为有利。Nhut et al[33]发现LED红、蓝光7∶3复合照射时，草莓试管苗生长较好。这些研究结果与Shin et al[34]在朵丽蝶兰的光质离体试验中得出的结果一致。总体来说，不同光质的LED组合照射试管苗较使用LED单色光处理更有利于试管苗的生长，这可能与单色光导致系统可利用的光能分布不平衡有关。

2.1.3 对试管苗植株内含物的影响 在研究不同光质LED对试管植物植株体内物质合成的作用时，Jao et al[35]发现LED蓝光下马蹄莲试管苗叶绿素的含量增加效果明显，戴艳娇等[36]也通过试验表明LED单色蓝光有利于蝴蝶兰试管苗可溶性蛋白质、淀粉以及游离氨基酸的合成。而杨红飞等[37，38]的观点却与前两者存在明显不同，通过不同光质配比的LED对洋桔梗试管苗进行培养试验表明，LED红、蓝光1∶1配比有利于其淀粉和可溶性蛋白质的合成。这种差异的形成可能与试验材料不同有关，另一方面，LED蓝光对试管植物体内各种物质的合成有积极的促进作用，而对不同内含物的具体影响又存在差别。

2.1.4 对试管苗光形态建成的影响 魏星等[39]研究表明，单一LED红光容易造成菊花试管苗枝叶徒长，而LED蓝光矮壮效果好。而同样以菊花作为研究材料，郭威威等[40]研究表明，LED红、蓝光9∶4时，有利于非洲菊试管苗矮壮;红、蓝光3∶1时，普通菊花试管苗矮壮效果较好。以上表明，不同光质LED对试管苗植株形态的影响主要表现为红光LED促进植株的生长和光形态建成，而蓝光LED抑制植株的伸长，这与柳金凤等[41]、Cybularz-urban et al[42]的试验结果较为相符。

2.1.5 对愈伤组织的影响 愈伤组织培养是植物离体培养的重要组成部分，已有不少学者就不同光质对愈伤组织的作用进行了探索[43，44]，而随着LED在植物离体培养中的应用，有学者将LED替代普通光源进行愈伤组织试验。罗丽媛等[45]用不同光质LED处理葡萄愈伤组织表明，红光LED对葡萄愈伤组织的生长有促进作用，却抑制白藜芦醇的合成，而蓝光LED虽不影响愈伤组织的生长，但提高了白藜芦醇的含量。而通过对LED光质精量调制后，在大蒜愈伤组织研究中，马琳等[46]也发现红光LED促进愈伤组织分化，而蓝光LED会抑制愈伤组织分化。由此可见，光质的选择对愈伤组织生长的影响具有决定性作用。

2.2 LED光强对植物离体培养的影响

一般来说，环境条件适宜时，如果光照强度处于植物的光饱和点以下，植物的光合作用受抑制，相应地增加光照强度，植物的光合作用加强，当达到光饱和点后，继续增加光强，植物的生长不发生显著变化，反而可能产生不利效果。在植物离体培养中，利用LED的光强可控性，已有不少人将LED用于试管植物光强需求特性研究。

在不同光照强度对试管植物生长的影响试验中，杨雅婷等[47]发现LED红蓝复合光光强为22.50 μmol·m-2·s-1时，甘薯试管苗生长最优，与其他处理组存在较大差异。闫新房[48]也利用LED新型光源培养架进行了相关试验表明，LED红蓝光组合光强为70 μmol·m-2·s-1时，最有利于牡丹试管苗生长。而Kurilcik et al[49]研究表明，LED 复合光光强在45-55 μmol·m-2·s-1时，葡萄的生长最佳。比较三者可发现，植物最佳生长对光强的敏感和适应性不同，与物种本身有关。

在同类植物中，Kurilcik et al[50]发现，LED 复合光在40 μmol·m-2·s-1光强下菊花试管苗生长最好。而张婕等[51]研究表明，LED光强为60 μmol·m-2·s-1时，菊花试管苗状态较优，各方面生长较一致。

光强主要影响试管植物的光合作用，而光合作用的强弱也可通过植株营养器官的变化来间接测定。Nhut et al[52，53]研究发现，适宜的 LED 红蓝光组合，当光强为60 μmol·m-2·s-1时白鹤芋试管苗的根茎鲜重达到最大，而光强为60 μmol·m-2·s-1时，香蕉试管植株根茎鲜重最大。在探索外界因素影响植物生长的研究中，可单独调控光强的LED的应用，对研究不同光照度对离体试管苗光合作用的影响具有重要意义。

2.3 LED光周期对植物离体培养的影响

目前有关试管植物光周期效应的探讨相对较少。Jao et al[54]利用LED红蓝光(光周期白天16 h/夜间8 h)交替照射马铃薯试管苗表明，两种处理对马铃薯试管苗的影响不同，LED红蓝光同时照射的马铃薯试管苗干重明显高于交替处理的试管苗。由此也证实了具有不同光谱的光共存是试管植物最佳生长的必要条件。

3 问题与展望

3.1 存在的问题

目前LED在植物离体培养中的应用仍存在一些问题。首先，由于价格昂贵，LED无法得到充分的推广。LED的核心元件——芯片的费用在总成本中占有较大的比重，而我国高端的LED芯片多来自于国外，造成LED价格居高不下。高成本限制了LED在植物离体培养工厂化生产中的应用，但在科研方面LED仍是重要的应用工具[55]。再者，LED本身存在的缺陷也在一定程度上限制了其在植物离体培养中的应用。LED对自身P-N结的散热能力有着严格的要求。LED为冷光源，芯片的耐热程度有限，但工作过程中仍有一小部分电能形成了热辐射，若这些热能集中在较小区域，则芯片老化加快，将加剧光衰[56，57]，使用寿命大打折扣。此外，LED光源存在光质的稳定性以及色度、亮度的均匀性等问题[58]，仍有待进一步改进。

3.2 前景展望

随着现代光电技术的发展，LED生产工艺水平和结构材料必然得到不断提高和更新，从而降低其生产成本并进一步优化性能，同时克服存在的缺陷，使LED更加适应植物离体培养的光源需求。

在研究光质和光强对植物离体培养的影响时，LED具有单色性，很可能淘汰光栅或单色仪，通过精确定量调配，从而获得高纯度的光源，提高光生物学实验结果的准确性和科学性。

LED体积小，耗电量低，有利于其在常规植物离体培养中的应用。现阶段，将LED应用于常规植物离体培养的报道较少，而普遍使用的光源设备存在较多不足，用更高效的LED替换这些普通光源设备更为迫切。使用LED光源的新型培养室，可将发光元件直接安装在培养容器上方，利用余下的空间设置更多的培养层。随着LED光源稳定性和均匀性问题的克服，不同培养位置上的植物接受的光照也将一致。利用LED构建的新型培养室可实现扩大利用空间，增加培养数量，减少电费成本，促进植物长势一致，提高植物生长速度，节能环保等多重效益。

LED光照单独可控性也将在常规植物离体培养中得到较好的应用。不同植物种类、同种植物不同生长阶段的需光特性以及对试管苗的单一形状进行改变时所需要的适宜光源不同，例如试管苗诱导培养和壮苗生根培养后期，选择的最佳人工光源并不一致，常规培养室中使用的都为统一光源，并不能为植物的生长适时提供最优的光照条件，而这种需求在LED新型培养室中将成为可能。LED通过控制电流的大小即可对辐射光进行调控，因此可以在不同的试管苗培养区、不同处理区、试管植物不同的生长阶段使LED发出不同的光，使光照具有更强的针对性，提高植物离体培养的效果和实验的准确性。

植物离体培养受多种环境因素影响，因此，必须同时改善植物其他的生长条件，将LED的应用与培养室CO2/O2浓度比控制、湿度设置、培养基营养成分以及激素水平的调整相结合，以满足试管植物的需求，提高LED的使用效果。随着现代离体培养技术的进一步系列化和标准化，LED可以与CCLF、无糖组培技术、开放式组培技术等新科技结合使用，通过多元调整，使植物离体培养进一步发展。总之，随着LED产业的进步，以及植物离体培养技术的提高，LED大规模应用于植物离体培养将成为一种趋势。

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