不同LED光照处理对拟南芥种子萌发的影响

吴　冰，徐　永

(福建农林大学光电子农业工程与技术研究中心　350002)



不同LED光照处理对拟南芥种子萌发的影响

吴冰，徐永

(福建农林大学光电子农业工程与技术研究中心350002)

通过调节不同的红光(λ=660 nm)、绿光(λ=525 nm)、蓝光(λ=445 nm)比值而设定一系列不同的光谱结构对拟南芥种子进行萌发试验，结果表明：红光可显著提高种子发芽率、促进胚根及胚轴的生长；蓝光则完全相反，显著降低种子发芽率、抑制胚根及胚轴的生长；绿光与红光混合辐射可减弱红光对种子发芽、胚根及胚轴生长的促进作用；当绿光与蓝光混合辐射时可显著减弱蓝光对种子发芽及胚根生长的抑制作用，对胚轴的生长则没有显著影响。建议在拟南芥种子萌发过程中使用红、绿两种光质混合辐射种子。

拟南芥；种子萌发；LED光源；光谱结构

拟南芥属于十字花科拟南芥属植物，具有显花植物的全部特征。因其植株小、生育期短、种子量大、自交亲和以及基因组小[1]，成为现在生物学研究的模式植物。但其种子非常小、幼苗极其弱，培育有一定的困难。国内外大量研究表明，光是控制植物生长发育的重要环境因子，能够从种子萌发、形态建成、开花到孕育种子等各个生长阶段调控其生长发育。Whitelam等[2]发现，在黑暗条件下拟南芥种子萌发后的幼苗尖端的生长明显受到抑制，且子叶仍然保持闭合状态；当转移到光照条件下，幼苗尖端的生长重新激活并长出真叶。Borthwich 等[3]研究发现，红光可以促进生菜种子的萌发，而远红光则起相反作用。Folta等[4]则认为绿光对植物生长而言不是停止其生长就是抑制其生长。李晓阳等[5-6]先后研究了He-Ne激光处理以及UV-B辐射对拟南芥种子萌发的影响，发现短时间的He-Ne激光辐射以及低剂量的UV-B辐射均可提高拟南芥种子发芽率以及促进其根生长。本研究设置不同光环境照射拟南芥种子，探寻可提高种子发芽率、使幼苗健壮的光谱结构，为拟南芥种子萌发及幼苗栽培提供科学依据。

1　材料与方法

1.1植物材料

哥伦比亚野生型拟南芥。

1.2光环境设计

根据叶绿素a、叶绿素b的吸收光谱，定制分别位于红蓝光波段叶绿素a、叶绿素b吸收峰值附近的波长为660 nm的红光LED光源(R)、波长为445 nm的蓝光LED光源(B)，以及波长为525 nm的绿光LED光源(G)。将这3种光源芯片集成到同一LED灯珠中制成培养箱(图1)，光照强度、光谱结构、光照时间均可分别、单独、任意调节。制作完成后进行光均匀度测试(图2)，与购买的培养箱相比，其光均匀性非常高，适合用于植物培养等实验。并以色温为6212 K的白色荧光灯作为对照组，各组光环境设置如表1所示。

1.3光照处理

先将拟南芥种子放在4℃冰箱、黑暗条件下进行春化处理3 d。取21只直径为100 mm的培养皿，在每个培养皿中平铺约1 cm厚的蛭石，再覆盖2层滤纸后，用1 mm播种枪播40粒经春化处理后的拟南芥种子。分成7组(处理)，每组3个重复，放入已设定特定光谱结构(表1)的培养箱中进行发芽试验，光照16 h、温度(22±2)℃、湿度(80±5)%、光照强度80 μmol/(m2·s)，7 d后计算发芽率。

注：R-红光光源，波长660 nm；G-绿光光源，波长525 nm；B-蓝光光源，波长445 nm。

2　结果与分析

2.1不同光照结构对种子发芽率的影响

由表2可知，第1组(R=100%)种子(纯红光)的发芽率最高，为98.61%，较对照组增加2.60%，差异达显著水平。第6组(B=100%)种子(纯蓝光)的发芽率最低，为88.61%，较对照组下降7.80%，差异达显著水平。第2组(R=80%,G=20%)较第1组(R=100%)发芽率降低1.41%，差异不显著；较对照组上升1.15%，差异也不显著。第5组(G=20%,B=80%)较第6组(B=100%)发芽率升高8.15%，差异达显著水平；较对照组下降0.29%，差异不显著。说明红光可显著促进种子萌发，蓝光则表现显著抑制作用；当绿光与红光混合时则可减弱红光的促进作用，但仍促进种子萌发；绿光与蓝光混合可显著减弱蓝光的抑制作用，但仍可抑制种子萌发。

表2　不同光谱处理下种子的发芽率 (单位：%)

2.2 不同光谱结构对拟南芥胚根及胚轴的影响

根系作为植物的一个重要的营养器官，吸收植物生长必需的营养成分及水分。胚根的长度则是评价种子萌发后生长发育状况的一个重要指标，根系的发达程度直接影响幼苗移栽的存活率。不同光谱结构辐射处理对拟南芥胚根及胚轴长度的影响结果分别见图3和图4。

从图3可知，第1、2组拟南芥胚根长均显著高于对照组，分别增加61.85%和37.04%，差异达显著水平；第3、4、5、6组的胚根长均显著低于对照组，分别下降35.80%、43.21%、50.25%、58.89%。纯红光辐射处理的拟南芥胚根最长，纯蓝光辐射处理的最短。说明红光可显著促进胚根生长，而蓝光则显著抑制其生长。且第2组拟南芥胚根长较第1组显著降低15.33%，第5组较第6组增加21.02%，即相比纯红光处理，在红光中混合部分绿光辐射后拟南芥胚根长下降；而相比纯蓝光处理，蓝光中混合部分绿光辐射后其胚根长显著增加。说明绿光对拟南芥胚根生长的影响主要取决于同红光或蓝光混合，当绿光与红光混合辐射时，绿光可减弱红光对胚根生长的促进作用，但较对照组仍有显著促进胚根生长的效果；当绿光与蓝光混合辐射时，绿光可减弱蓝光对胚根生长的抑制作用，但较对照组仍有显著抑制胚根生长的效果。

从图4可知，第1组和第2组拟南芥胚轴长均高于对照组，分别增加239.26%、96.32%，差异均达显著水平；第4、5和6组的胚轴长均低于对照组，分别下降28.22%、36.81%、34.36%，差异均达显著水平。即纯红光辐射处理的拟南芥胚轴最长，而纯蓝光辐射处理的最短。说明红光可显著促进拟南芥胚轴生长，而蓝光则显著抑制其生长。且第2组拟南芥胚轴长较第1组显著下降(42.13%)，而第5、6组胚轴长无显著差异。说明绿光在同红光混合辐射时会减弱红光对胚轴生长的促进作用，但较对照组仍有显著促进胚轴生长的效果；绿光与蓝光混合辐射对于蓝光对胚轴生长的抑制作用没有明显影响。

3　讨论

试验结果表明，红光不仅可以提高拟南芥种子发芽率，同时还可显著促进其胚根及胚轴的生长，但是幼苗过于瘦弱，移栽时不易成活；蓝光则相反，不仅显著抑制拟南芥种子的发芽，还显著抑制胚根及胚轴的生长，幼苗虽然较纯红光辐射的健壮，但是由于根系太短，移栽后也不易成活；而绿光对拟南芥种子萌发的影响主要取决于其与红光或蓝光混合，当绿光与红光混合辐射时可减弱红光对种子发芽的促进作用，但是效果并不显著，却可显著减弱红光对胚根及胚轴生长的影响，但相比对照组，均表现为促进作用；当绿光与蓝光混合辐射时，可显著减弱蓝光对种子发芽及胚根生长的抑制作用，但相比对照组，仍表现为抑制作用，对胚轴的生长则没有显著影响。可见，在本试验中绿光并不是如Flota等[4]报道的对植物只有抑制生长或者停止生长的影响。

因此，为了提高拟南芥种子的发芽率，且获得比较健康壮硕的幼苗，从而提高幼苗成活率，应在拟南芥种子萌发过程中使用红、绿两种光质按红多绿少的比例混合辐射种子，具体的最佳光谱结构及环境条件有待进一步试验。

[1]陈璋.拟南芥：植物分子生物学研究的模式物种[J].植物学通报，1994，11(1)：6-11.

[2]WHITELAM GC，HALLIDAY KJ.Light and Plant Development[D].UK：Oxford，2007.

[3]BORTHWICK HA，HENDRICKS SB，PARKER MW，et al.A reversible photoreaction controlling seed germination[J].Botany，1952，38：662-666.

[4]FOLTA KM，MARUHNICH SA.Green light：a signal to slow down or stop[J].Journal of Experimental Botany，2007，58(12)：3099-3111.

[5]李晓阳，陈慧泽，韩榕.He-Ne激光处理对拟南芥种子萌发和幼苗生长特性的影响[J].西北植物学报，2012，32(1)：131-135.

[6]李晓阳，陈慧泽，韩榕.UV-B辐射对拟南芥种子萌发和幼苗生长的影响[J].植物学报，2013，48(1)：52-58.

(责任编辑：林芸青)

Effects of different LED light treatments on the germination ofArabidopsis

WU Bing, XU Yong

(ResearchCenterofOptoelectronicAgricultureEngineeringandTechnology,FujianAgricultureandForestryUniversity,FujianProvince350002)

Effects of different lights with different spectral structures, which include red light (λ=660 nm), green light (λ=525 nm) and blue light (λ=445 nm), on seed germination ofArabidopsiswere studied. The results showed that the red light could significantly improve the seed germination rate ofArabidopsis, and promote the growth of radicle and hypotocyl; completely contrary results were observed when treated by blue light. The significant improvement of the seed germination rate ofArabidopsis, and its growth of radicle and hypotocyl by red light could be weakened by mixed green and red light illumination treatment. The treatment by mixed green and blue light could weaken the depression of seed germination and growth of radicle by blue light illumination, but not on growth of hypotocyl.Therefore, mixed red and green light treatment was recommended for seed germination ofArabidopsis.

Arabidopsis; seed germination; LED light source; spectral structure

2016-05-15

吴冰，男，1990年生，硕士研究生。

徐永，男，1959年生，教授(E-mail:emailyxu@gmail.com)。

福建省科技重大专项(2014NZ0002-2)。

10.13651/j.cnki.fjnykj.2016.06.001