红蓝LED光照强度对非洲菊离体培养的影响

殷丽青,孙 翊,张永春,杨柳燕,陈敏敏,李 心,李青竹

（上海市农业科学院林木果树研究所，上海市设施园艺技术重点实验室，上海 201403）

光作为植物生长必需的环境条件之一，不仅能够为植物提供光合作用所必需的能量来源，而且能够为植物的生长发育提供重要的信号因子。随着光学技术的不断进步和发展，新型人工光源代替传统光源已成为趋势［1］。以发光二极管（Light emitting diode，LED）作为光源开展的作物对光反应的研究已有一些报道［2-4］。近年来，已经在许多植物的组织培养中开展了LED光源的应用研究，LED是替代传统荧光灯用于植物组织培养和工厂化快繁育苗的新一代节能环保型光源［5］。植物对红光、蓝光极其敏感，植物生长所需的光合有效辐射（Photosynthetically active radiation，PAR）在波长400—700 nm，其中在蓝光区和红光区的光合效率最高，不同植物、不同生长阶段对光照强度等环境需求不同［6-7］。过强或过弱都会引起光抑制现象，弱光下植株会出现徒长、瘦弱等不良现象［8］，而过高的光照强度会使植株出现萎蔫、叶色变黄［9］。因此，适宜的光照强度对植物的生长发育意义重大。

目前，有关非洲菊（Gerbera jamesonii Bolus）的组织培养已有较多的报道［10-11］，主要集中在培养基、植物生长调节剂方面的应用研究。一般情况下，适当提高植物生长调节剂浓度，可提高增殖系数，但植物生长调节剂浓度的提高会对离体繁殖作物的后代变异增加风险。光照强度是植物生长重要的光照参数之一，直接影响着植物的生长，也是影响植物离体培养的重要影响因子之一。基于本课题组前期LED光质对非洲菊增殖培养与生根培养研究的结果［12-13］，本研究以荧光灯作对照，利用光量比为4∶1的LED红蓝光作为光源，研究红蓝LED光源条件下不同光照强度对非洲菊离体培养的影响，探讨适合非洲菊离体培养不同阶段的光照强度参数，以期在保证幼苗品质的前提下进一步提高非洲菊的组织培养效率、降低培养成本。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为非洲菊红花绿芯品种‘BJX’，以花托为外植体经体细胞胚培养获得的再生植株，经继代增殖后供不同光照强度处理。试验于2015年8月至2016年12月在上海市农业科学院林木果树研究所进行。

1.2 培养基

1.2.1 增殖培养基

以MS为基本培养基，添加6-BA 0.5 mg/L、KT 0.2 mg/L、IAA 0.2 mg/L，附加质量浓度为30 g/L的蔗糖，用6.0 g/L的琼脂粉固化，pH 5.8。

1.2.2 壮苗生根培养基

以1/2 MS为基本培养基，添加IBA 0.5 mg/L，附加质量浓度为20 g/L的蔗糖，用6.0 g/L的琼脂粉固化，pH 5.8。

1.3 培养方法和条件

增殖培养：将试管苗切成单芽，剪去叶片和部分叶柄，保留小芽基部0.8—1.0 cm接种于增殖培养基，培养周期为30 d；壮苗生根培养：将试管苗切成单芽，保留3—4叶和1芯接种于壮苗生根培养基，培养周期为25 d。培养温度24—26℃，光照周期12 h/d。

图1 光量比为4∶1的红蓝LED复合光光谱图Fig.1 Spectrogram of LED compound light at red-blue light intensity ratio of 4∶1

1.4 LED光照强度处理

红蓝LED科研模块由飞利浦照明有限公司提供设计和安装。光谱和光照强度采用照明护照-光谱仪（标准版）调试。LED光源的光谱成分为光量比为4∶1的红光与蓝光的复合光（图1），其中红光波长为600—700 nm，蓝光波长为400—499 nm。LED光照强度设置3个处理：分别是 24μmol·m-2·s-1、48μmol·m-2·s-1和72μmol·m-2·s-1，以荧光灯（30μmol·m-2·s-1）作为对照。

1.5 数据的采集与统计

增殖培养30 d后，选取生长相对一致的20株丛生苗观察和统计其生长情况和增殖系数，增殖系数=新增芽数/接种外植体数。随后选取10株，测定其苗高，苗高为丛生苗基部至其最高叶的叶尖处的长度；叶面积采用Yaxin-1241叶面积仪测定，选取5株丛生苗，每株丛生苗从大至小取10片叶，测量总值后除以10获得单片叶的叶面积；叶绿素含量采用MINOLTA SPAD-502plus叶绿素仪测定，选取10株，每株测3片叶。试验重复3次。

壮苗生根培养25 d后统计和观测生根数、根长及试管苗的生长特性。选取生长相对一致的10株生根苗观察和统计其生长和生根情况。株高为试管苗基部到至最高叶的叶尖处的长度；根长为根基到根尖的距离。叶面积采用Yaxin-1241叶面积仪测定，每株生根苗从大至小取5片叶，测量总值后除以5获得单片叶的叶面积。其他指标的测定同增殖苗。试验重复3次。

1.6 数据统计与处理

所有数据采用Excel 2003和SPSS 17.0软件处理。采用单因素方差分析检验不同处理间的差异。

2 结果与分析

2.1 LED光照强度对非洲菊离体培养增殖阶段的影响

2.1.1 LED光照强度对非洲菊增殖系数的影响

增殖系数是衡量植物离体培养条件下增殖生长是否良好的一个重要指标，也可以反映培养条件是否适合外植体的增殖生长。研究结果（图2）显示，LED光照强度对非洲菊组培苗的增殖培养影响较大，在培养基基本成分和所含的植物生长调节剂配比及浓度、培养温度不变的情况下，光照强度从24μmol·m-2·s-1提高到72μmol·m-2·s-1，处理相对应的非洲菊增殖系数显示先升后降的趋势。其中光照强度为48μmol·m-2·s-1时非洲菊组培苗的增殖系数最大，达6.28，比对照（5.11）提高了22.90%；将光照强度进一步提高，达72μmol·m-2·s-1时，增殖系数不再增加，反而降低为5.94，但仍高于对照16.24%；但光照强度太低（≤24μmol·m-2·s-1）不利于非洲菊的增殖培养，其增殖系数（4.83）稍低于对照，表现为长势瘦弱。由此说明，在非洲菊增殖培养阶段，适宜的光照强度是48μmol·m-2·s-1，光照强度过低不利于增殖和正常的生长，而光照强度过高，不仅会提高培养成本，而且并不能提高增殖系数。

图2 光照强度对非洲菊增殖系数的影响Fig.2 Effect of light intensity on multip lication factor of G.jamesonii

2.1.2 LED光照强度对非洲菊丛生苗生长特性的影响

结果（表1）显示，光照强度对丛生苗的芽高、叶面积、叶绿素含量、鲜重等生长特性有较大的影响。芽高方面，24μmol·m-2·s-1、48μmol·m-2·s-1处理的丛生苗芽高与对照相近，无显著差异；但72μmol·m-2·s-1含量处理的芽高显著低于其他处理，说明光照强度增大，对丛生苗的增高有抑制作用。叶面积、叶绿素含量随着光照强度的增强而增大，两者对光照强度的反应比较一致，24μmol·m-2·s-1处理的增殖苗叶面积、叶绿素含量均低于对照；48μmol·m-2·s-1处理的丛生苗叶面积高于对照，而叶绿素与对照相近；72μmol·m-2·s-1处理的丛生苗叶面积和叶绿素含量均显著高于其他处理。在光照强度为24—72μmol·m-2·s-1，LED不同光照强度处理的丛生苗干、鲜重均高于对照，呈现先增后降的趋势，其中48μmol·m-2·s-1处理的丛生苗鲜重最高，达1.31 g，72μmol·m-2·s-1处理的丛生苗的干鲜比最高，说明较强的光照有利于丛生苗干物质的形成。

表1 LED光照强度对非洲菊丛生苗生长特性的影响Table 1 Effects of LED light intensity on grow th characteristics of G.jamesonii plantlets

综合上述结果认为：48μmol·m-2·s-1的光强环境最适宜非洲菊的增殖培养。荧光灯和72μmol·m-2·s-1光照强度条件下，非洲菊组培苗也能正常增殖和生长，72μmol·m-2·s-1对培育矮壮苗有促进作用，但光照强度降至24μmol·m-2·s-1则不利于非洲菊的增殖生长，主要表现为增殖系数低、苗瘦弱偏高、叶绿素含量低、叶片薄、叶色浅等。

2.2 LED光照强度对非洲菊离体培养生根阶段的影响

2.2.1 LED光照强度对非洲菊生根的影响

将非洲菊丛生苗分割后培养于生根培养基上进行生根和壮苗培养，25 d后统计和观测生根数和根长。结果显示（图3—4），不同光照强度对非洲菊试管苗的诱导生根有较大的影响，24μmol·m-2·s-1处理的试管苗生根数和根长显著低于对照及其他LED光照强度处理，培养25 d的平均生根数仅为2.40条，根长仅为1.05 cm，而48μmol·m-2·s-1处理的试管苗平均生根数与根长均高于对照，但无显著差异；72μmol·m-2·s-1处理的试管苗生根数高于对照，该光照强度环境下培养的试管苗根长也显著高于对照，达2.02 cm。因此认为，较高的LED光照强度对诱导非洲菊试管苗生根有促进作用。

图3 不同光照强度对非洲菊生根数的影响Fig.3 Effect of light intensity on root number of G.jamesonii

图4 不同光照强度对非洲菊根长的影响Fig.4 Effect of light intensity on root length of G.jamesonii

2.2.2 LED光照强度对非洲菊生根苗生长特性的影响

表2显示，LED光照强度在24—72μmol·m-2·s-1范围内，不同处理的非洲菊生根苗株高随着光照强度的提高而降低，干重、鲜重、叶面积和叶绿素含量随着光照强度的提高而增加。72μmol·m-2·s-1光照强度培养的生根苗叶面积最大达 124.11 mm2，显著大于其他处理；株高显著低于其他处理，为3.65 cm，该光照强度环境更有利于培养矮壮的非洲菊试管苗。48μmol·m-2·s-1光照强度培养的试管苗叶面积为88.14 mm2，株高为4.46 cm，试管苗总体生长良好，说明该光照强度条件也可用于非洲菊生根培养。24μmol·m-2·s-1光照强度培养的试管苗最高，但比较瘦弱，总体生物量较低，呈徒长现象，因此24μmol·m-2·s-1光照强度环境不适宜非洲菊的生根培养。

表2 LED光照强度对非洲菊生根苗生长特性的影响Table 2 Effects of LED light intensity on grow th characteristics of G.jamesonii rooted p lantlets

3 结论与讨论

本研究表明，不同LED光照强度处理中，非洲菊增殖培养的最适宜光照强度是48μmol·m-2·s-1，表现为增殖系数大，鲜重高，株高适中，其次为72μmol·m-2·s-1和荧光灯处理；而生根培养的最适宜光照强度是72μmol·m-2·s-1，表现为根长、根多、植株矮壮、叶面积大且较厚，其次为48μmol·m-2·s-1和荧光灯处理。光照强度≤24μmol·m-2·s-1不适于非洲菊的增殖和生根，主要表现为试管苗瘦弱、叶绿素含量低、植株生物量小。非洲菊的增殖培养与生根培养阶段对光照强度的反应也不完全一致，在这两个阶段，虽然叶绿素含量均随着LED光照强度的提高而增大，但增殖阶段比较明显，当光照强度从24μmol·m-2·s-1提高到72μmol·m-2·s-1，叶绿素SPAD值从34.89提高到43.74，后者显著高于前者；而在生根培养阶段，当光照强度从24μmol·m-2·s-1提高到72μmol·m-2·s-1，叶绿素SPAD值从31.60提高到36.58，且光照强度48μmol·m-2·s-1与72μmol·m-2·s-1处理间试管苗的叶绿素SPAD值无显著差异。

在植物组织培养中，一般通过培养基和添加物试验、植物生长调节剂种类和浓度的调配来提高植物离体培养的增殖系数。本研究通过红蓝LED光照强度的调节，开展LED光照强度对非洲菊离体培养影响的研究，结果显示适宜的LED光照强度对非洲菊的增殖培养具有较大的促进作用，48μmol·m-2·s-1光照强度环境下，增殖系数最大，达6.28，比对照提高了22.90%。该方法避免了在增殖过程中为提高增殖系数而提高植物生长调节剂浓度，可大大降低后代试管苗变异的风险。

作为植物生长发育重要的环境因素，光是影响植物形态建成的最重要的环境因子［14-16］。光照强度对植物的叶绿素合成起到调控作用，Zanandrea等［17］在研究光对植物形态学和生理学影响的苹果嫩叶的试验中发现，最有利于嫩叶或芽叶绿素合成的光照强度是14μmol·m-2·s-1，而本研究中，最有利于非洲菊增殖（新芽形成和生长）的光照强度是48μmol·m-2·s-1，后者是前者的3倍多，说明不同植物之间最适光照强度差异很大。Matos等［9］在研究咖啡树对光反应的表型可塑性中发现，过高的光照强度会使植株出现萎蔫、叶片小而厚及叶色变黄等症状；王政等［14］在研究不同光照强度对彩色马蹄莲试管苗生长影响的试验中发现，当光照强度在45—81μmol·m-2·s-1范围内，彩色马蹄莲试管苗的叶长和叶幅随光照强度提高而增大。本研究中，当光照强度在24—72μmol·m-2·s-1范围内，非洲菊的增殖苗和生根苗的叶面积均随着光照强度的提高而增大。由此可见，适宜的光照强度对离体植株的形态建成具有较大的促进作用，但不同植物对光照强度需求不同，应根据实际情况进行调节。

［1］杨其长.LED在农业领域的应用现状与发展战略［J］.中国科技财富，2011（1）：52-57.

［2］丁娟娟，杨振超，王鹏勃，等.LED光强对不结球小白菜生长与光合特性的影响［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版），2015，43（3）：113-118.

［3］谢素珍，刘士哲，陈建胜，等.不同光强的LED光源对水培上海青生长和品质的影响［J］.广东农业科学，2013（14）：41-43，47.

［4］林魁，徐永.LED照明对植物体内功能性化学物质积累的影响［J］.植物学报，2015，50（2）：263-271.

［5］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］.浙江农业科学，2011（5）：1192-1195.

［6］刘晓英，焦学磊，徐志刚，等.不同红蓝LED光照强度对樱桃番茄幼苗生长和抗氧化酶活性的影响［J］.南京农业大学学报，2015，38（5）：772-779.

［7］廖飞勇，李鹄鸣.植物对光强适应机制的研究进展［J］.经济林研究，2008，26（4）：104-108.

［8］战吉宬，黄卫东，王利军.植物弱光逆境生理研究综述［J］.植物学通报，2003，20（1）：43-50.

［9］MATOSF S，WOLFGRAMM R，CAVATTE PC，et al.Phenotypic plasticity in response to light in the coffee tree［J］.Journal of Environment and Experiment Botany，2009，67：421-427.

［10］高绍良，周寒松，张素芳.非洲菊组织培养基筛选研究［J］.中国农学通报，2010，26（7）：210-213.

［11］高艳明，李建设，李晓娟.非洲菊花托组织培养的研究［J］.西北农业学报，2006，15（4）：200-202.

［12］孙翊，张永春，殷丽青，等.LED光质对非洲菊组培苗增殖及生理特性的影响［J］.西北植物学报，2017，37（12）：2419-2426.

［13］孙翊，殷丽青，张永春，等.不同LED光质对非洲菊组培苗生长及生理特性的影响［J］.分子植物育种，2017，15（12）：5140-5147.

［14］王政，郭玉珍，何松林.不同光照强度对彩色马蹄莲试管苗生长的影响［J］.西北林学院学报，2011，26（3）：84-87.

［15］郭子霞，尚文倩，闫新房，等.光照强度对白掌试管苗生长的影响［J］.江西农业大学学报，2011，33（6）：1134-1138.

［16］DISSANAYAKE P，GEORGE D L，GUPTA M L.Effect of light，gibberellic acid and abscisic acid on germination of guayule（Parthenium argentatum Gray）seed［J］.Industrial Crops and Products，2012，32（2）：111-117.

［17］ZANANDREA I，BACARIN M A，BRAGA E JB，et al.Morphological and physiological photon flux influence under in vitro culture of apple shoots［J］.Brazilian Archives of Biology&Technology，2009，52（5）：1091-1098.