LED光质对乌饭树组培苗茎段增殖和生根的影响

2018-09-01吴双竹

植物研究 2018年5期

周鹏张敏吴双竹黄婧

(江苏省林业科学研究院，南京 211153)

在植物组织培养中，光对外植体形态建成有极其重要的作用，影响组培苗生长发育的整个过程[1～2]。发光二极管(light-emitting diodes，LED)波谱宽度小于±30 nm，可根据需要获取特定峰值的纯正单色光或复合光谱，为光质生物学研究提供了极大的便利性和精确性[3～4]。近年来国内外学者围绕LED在植物离体培养领域的应用开展了相关研究，对草本植物蝴蝶兰[5]、红掌(Anthuriumandreanum)[6]、马铃薯(Solanumtuberosum)[7]、地被菊(Chrysanthemummorifolium)[8]、草莓[9～10]及木本植物棉花(Gossypiumhirsutum)[11]和蓝莓(V.corymbosum)[12]等的研究结果表明，LED光质对组培苗生长发育具有显著生物学效应，可用于调控组培苗形态建成，但不同植物或不同培养阶段对光质的反应不同。

乌饭树(VacciniumbracteatumThunb.)为杜鹃花科(Ericacece)越桔属(Vaccinium)常绿小乔木，广泛分布于我国长江以南地区。其叶和果中富含黄酮、氨基酸等成分，是集保健、药用和观赏价值于一身的多功能树种[13～14]，种苗需求量与日俱增。研究发现，乌饭树属于难生根树种，扦插生根慢、繁殖效率低[15]。组织培养已成为获取乌饭树优质种苗的主要方式，较为成功的途径是带芽茎段——诱导丛生苗——增殖——生根壮苗，通常以白色荧光灯作为光源，生物能效极低。张晓娜等[16]、谢远程[17]和张祝丽等[18]均通过激素、外源添加物等化学调控方法对乌饭树外植体再生体系进行优化，但在增殖和生根阶段仍存在增殖系数偏低、难生根的难题，这正是乌饭树组培苗产业化生产中亟待解决的技术问题。

迄今关于LED光质调控乌饭树组培苗形态建成的研究尚未见报道。因此，本研究采用红光和蓝光LED作为光源，组合成5种不同红蓝光质配比，探讨不同光质对乌饭树组培苗茎段增殖及瓶内生根的影响，旨在了解乌饭树组织培养不同阶段对光质的需求，为生产中利用光质调控技术提高乌饭树组培效率和品质提供依据。

l 材料与方法

1.1 材料与培养条件

选取生长健壮的乌饭树种苗，采用带芽茎段作为外植体，直接诱导丛生苗，进而增殖培养，最后进行壮苗生根。根据课题组前期研究获取的数据(未发表)，选取最适培养基和培养条件。增殖培养基：改良WPM+ZT 1.0 mg·L-1+IBA 0.2 mg·L-1+蔗糖20 g·L-1+琼脂7 g·L-1；生根培养基：1/2改良WPM+ZT 0.2 mg·L-1+IBA 0.5 mg·L-1+蔗糖20 g·L-1+琼脂7 g·L-1；pH5.4。温度(25±1)℃，光照强度40 μmol·m-2·s-1，光照时间12 h·d-1。

1.2 茎段增殖和生根培养

以60 d苗龄的无菌苗为供试材料，将其切割成约2 cm长的单芽茎段，分别接种至增殖培养基中，进行增殖培养；选取长势一致的新梢的4 cm顶端部位接种至生根培养基，进行生根培养。每个处理接种10瓶，每瓶接种5株苗，分别置于5种不同LED光源区和1个荧光灯对照区(表1)，设置3次生物学重复。通过调节电流、占空比及植株与光源的距离，控制光量40 μmol·m-2·s-1，设定光照时间12 h·d-1，温度(25±1)℃。

表1 LED光质的主要技术参数

1.3 指标测定与数据处理

增殖培养45 d后统计诱导率、外植体平均新梢数、新梢长度和节数，诱导率(%)=形成新梢茎段数/接种茎段数×100，新梢数为带芽茎段诱导出的1 cm以上新梢的数量，同时对组培苗的生长指标，包括叶片数、叶面积(组培苗自上而下的第3片叶)、鲜重、干重以及光合色素含量进行测定；生根培养60 d后统计生根率、根数、最长根长度等生根指标。测定方法均参考文献[19]。

所得数据采用Excel 2003进行统计处理，SPSS 13.0进行方差分析，Duncan进行多重比较(P<0.05)。其中，生根率和诱导率为百分数，不遵循正态分布和等方差，先进行反正弦平方根变换，然后再作方差分析。

2 结果与分析

2.1 光质对乌饭树茎段增殖的影响

从图1和表2可看出，增殖培养45 d后，LED不同光质对乌饭树组培苗茎段增殖和新梢形态产生了显著的影响。除单色蓝光外，LED光源促进乌饭树茎段的新梢诱导，其中，R7B3、R5B5和R处理下新梢诱导率与对照差异显著(P<0.05)，而单色蓝光显著降低新梢诱导率(P<0.05)；新梢数在R7B3和R5B5处理下较大，分别为10.5和8.9，显著高于对照，但两者间差异不显著(P>0.05)；在单色蓝光下新梢数最小，仅为2.1，显著低于对照和其他LED光质处理(P<0.05)，说明蓝光对茎段增殖具有抑制作用。在新梢形态方面，新梢长在R和R7B3处理时较大，分别为5.4和4.8 cm，显著高于其他处理(P<0.05)，且随着蓝光比例的增大，新梢长呈现逐渐减小的趋势，单色蓝光下新梢长最小，与对照差异显著(P<0.05)；红蓝复合光和单色红光处理下新梢节数显著高于对照(P<0.05)，而蓝光处理与对照间差异不显著(P>0.05)。

图1 不同LED光质下乌饭树茎段增殖及生根状况 A～F.增殖培养45 d后乌饭树的丛生苗(A. FL；B. R；C. R7B3；D. R5B5；E. R3B7；F. B)；G～L.生根培养60 d后乌饭树的根系情况(G. FL；H. R；I. R7B3；J. R5B5；K. R3B7；L. B)Fig.1 The growth status of V.bracteatum’s plantlets under different light quality of LED A-F.Shoot multiplication of V.bracteatum after 45 d of culture(A. FL; B. R; C. R7B3; D. R5B5; E. R3B7; F. B); G-L.Rooting of V.bracteatum after 60 d of culture(G. FL; H. R; I. R7B3; J. R5B5; K. R3B7; L. B)

Table2EffectsofLEDlightqualitiesonshootproliferationonV.bracteatuminvitro

处理Light treatments新稍诱导率Shoot induction rate(%)新梢数No. of shoot新梢长Shoot length(cm)节数No. of nodeFL65.9±8.9b2.7±0.1cd3.3±0.3b7.9±0.7cR79.3±6.7ab6.4±0.8b5.4±0.7a13.6±0.6aR7B391.1±7.7a10.5±1.3a4.8±0.4a12.8±0.1aR5B588.1±7.9a9.2±0.8a3.9±0.3b13.3±0.5aR3B767.4±2.3b3.6±0.7c3.5±0.4b11.3±0.6bB47.0±9.3c2.1±0.3d2.5±0.3c8.1±0.6c

注：数据为平均值±标准误，数字后的不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Data were means±SE,different alphabets indicate the significant difference atP<0.05.The same as below.

2.2 光质对乌饭树组培苗生长的影响

增殖培养阶段，不同光质LED对乌饭树组培苗形态和生长产生显著影响(表3)。不同光质处理下叶数均有所增加，其中，在R7B3、R5B5和R处理下叶数较大，显著高于对照(P<0.05)，单色蓝光对叶片数影响不显著(P>0.05)；叶面积在单色红光时达到0.521 cm2，显著高于其他处理(P<0.05)，且随着蓝光比例的增大，叶面积呈现逐渐减小的趋势，单色蓝光下叶面积达到最小值。在生物量积累方面，乌饭树组培苗的鲜重和干重均在R7B3处理时最大，R5B5处理下次之，且在不同比例红蓝复合光的处理下，生物量显著高于单色红光和蓝光(P<0.05)。在单色蓝光处理中鲜重和干重均显著低于其他光质处理(P<0.05)。

光合色素是植物进行光合作用的物质基础，其含量与组成直接影响叶片的光合速率，从而影响到植株的生长[11]。表4不同光质显著影响乌饭树组培苗叶片光合色素含量结果表明，单色蓝光处理下组培苗叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素值均最大，分别为0.773、0.286和1.059 mg·g-1，而单色红光处理抑制叶片叶绿素合成，叶绿素含量显著低于对照和其他LED光质处理(P<0.05)；随着蓝光比例的增大，叶绿素a/b呈上升趋势，在单色蓝光处理下叶绿素a/b达到最大值，是红光LED下的1.46倍。红蓝组合处理的类胡萝卜素含量显著高于单独的红蓝光处理，且单色红光和蓝光下类胡萝卜素含量显著低于对照(P<0.05)。在R7B3处理下类胡萝卜素/叶绿素比值最大，显著高于其他光质处理(P<0.05)；单色蓝光下类胡萝卜素/叶绿素比值最小，显著低于R7B3和R5B5(P<0.05)，但与对照和R3B7处理间差异不显著(P>0.05)。

表3LED光质对乌饭树组培苗形态和生长的影响

Table3EffectsofLEDlightqualitiesonmorphologyandgrowthofinvitroculturedV.bracteatum

处理Light treatments叶片数No. of leaf叶面积Leaf area(cm2)鲜重Fresh weight of whole plant(mg)干重Dry weight of whole plant(mg)FL5.6±0.7c0.417±0.015b0.292±0.024c0.022±0.002cR11.6±1.0a0.521±0.012a0.243±0.012c0.021±0.001cR7B312.6±0.4a0.370±0.038bc0.483±0.025a0.042±0.002aR5B511.5±0.9a0.330±0.025cd0.394±0.033b0.041±0.001aR3B79.6±1.0b0.293±0.040d0.262±0.042c0.025±0.002bB6.2±0.6c0.230±0.025e0.179±0.025d0.018±0.001d

表4 LED光质对乌饭树组培苗叶片色素含量的影响

2.3 光质对乌饭树组培苗瓶内生根的影响

生根培养60 d后，不同光质对乌饭树组培苗生根率、根数和根长均影响显著(图1和表5)。单色红光处理下乌饭树组培苗生根率和生根数较对照均显著降低，而红蓝复合光和单色蓝光处理下生根率和生根数均显著高于对照(P<0.05)，说明蓝光能够促进乌饭树组培苗生根。R7B3、R5B5和B处理间生根率差异不显著(P>0.05)，均显著高于R3B7(P<0.05)；根数在R5B5和R3B7处理下达到较大，分别为6.2和5.8，显著高于其他处理(P<0.05)；根长在R5B5处理下达到5.2 cm，显著高于其他光质处理(P<0.05)，在对照荧光灯下根长最小，为1.2 cm。

表5LED光质对乌饭树组培苗生根的影响

Table5EffectsofLEDlightqualitiesoninvitrorootingofV.bracteatumafter60daysofculture

处理Light treatments生根率Rooting rate(%)根数No. of root最长根长度Root length(cm)FL40.7±6.8c2.4±0.3d1.2±0.3eR26.7±4.4d1.5±0.3e2.2±0.3cdR7B369.3±7.2a3.5±0.3c3.0±0.9cR5B571.5±4.5a6.2±0.5a5.2±0.2aR3B754.1±10.1bc5.8±0.4a4.3±0.3bB60.0±11.1ab4.2±0.4b1.5±0.1de

3 讨论

光对植物的生长发育、形态建成、物质代谢以及基因表达均有调节作用，近年来，光质调控在植物组织培养中的应用成为学者争相研究的热点[4]。本研究发现，在乌饭树茎段增殖阶段，红光可以促进新梢诱导和新梢数增加，这与对红掌[20]、草莓[10]和蓝莓[12]等植物的研究结果一致，说明红光对茎段增殖具有促进作用，但不同植物对于光质中红光所占比例多少要求并不相同。本研究发现，R7B3和R5B5处理有利于乌饭树茎段新梢诱导。茎段增殖不仅要考虑诱导的新梢数目，且对新梢长度及节数也有一定的要求。对大多数植物而言，红光可以促进组培苗茎的伸长，蓝光则抑制茎的伸长[12,19,21]，本文的研究结果与这相似，乌饭树新梢长和节数均在R和R7B3处理时较大，两处理间差异不显著。综合考虑新梢数目和新梢形态，因而选取R7B3作为乌饭树组培苗茎段增殖培养的光源。

不同光合色素吸收的光谱不同，光合色素含量和组成体现了植物对光能的利用和调节能力。研究表明，蓝光在植物叶绿素形成和叶绿体发育等方面起着重要的作用[22]，对红掌[20]、蓝莓[12]和棉花[11]等植物研究均发现，蓝光LED有利于组培苗叶绿素的形成。本研究的结果与以上报道一致，单色蓝光处理下乌饭树组培苗叶片叶绿素含量达到最大值，但此处理下鲜重和干重均最小，且显著低于其他光质处理(P<0.05)。对水稻[23]和玉米[24]叶色突变体的研究表明，叶绿素含量的高低并不能反映叶片光合能力的强弱，在保持一定叶绿素含量的基础上，光合效率与叶绿素含量之间没有相关性。单色蓝光对乌饭树组培苗的生长效应低于红蓝复合光，这可能与单色光导致植物光合系统可利用的光合色素失衡有关。类胡萝卜素在植物光合作用中担负着光吸收辅助的重要功能，能够吸收和传递电子，类胡萝卜素/叶绿素比值可以反映叶片中光合色素平衡状态[25]。本研究中红蓝复合光促进乌饭树组培苗类胡萝卜素的积累，其中R7B3处理下叶片中类胡萝卜素/叶绿素比值最大，而此时乌饭树鲜重和干重也均达到最大，说明红蓝复合光可产生协同增益效应，促进组培苗的生长发育[11,19]。与本研究结论类似，Kim等[26]发现红蓝LED复合光下菊花组培苗叶片净光合速率明显高于单色红蓝光，且植物鲜重和干重均达到最大。此外，蓝光处理下叶绿素a/b值最大，说明蓝光更有助于叶绿素a的形成[27]。

光质对离体植株根系诱导及生长的效应因波长及植物不同而存在差异[4]。草莓[10]、红掌[6]和帝王花[28]等的研究结果表明，红光促进组培苗不定根的形成，蓝光表现为明显的抑制作用。与上述研究结果不同，乌饭树组培苗在单色红光处理下生根率和生根数较对照均显著降低，而红蓝复合光和单色蓝光处理下均显著高于对照，说明蓝光能够促进乌饭树组培苗生根。研究发现，红蓝光组合R5B5和R3B7处理下乌饭树根数显著高于对照和其他处理，因此，这两种光质处理均可以作为乌饭树生根诱导中的替代光质配比，其中，R5B5处理下根系生长较优，因此，我们认为R5B5是乌饭树组培苗瓶内生根培养的最适光源。