LED不同光质对观赏海棠组培苗生长及生理特性的影响

张曼曼，赵晓红，魏宗法，柴姗姗，范义昌，高付凤，胡艳丽

(1.山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室/山东果蔬优质高效生产协同创新中心，山东 泰安 271018；2.蒙阴县国有林场总场，山东 蒙阴 276200)

海棠系蔷薇科(Rosaceae)苹果属(Malus)植物，代表品种有海棠花、海棠果、西府海棠、垂丝海棠、湖北海棠等，在各地都有栽培，应用范围很广，春可赏妖娆花姿，秋可观累累硕果，对环境有较强的适应性，是现代园林植物造景的常用树种，是我国的传统观赏花木，在世界园林中占有重要地位[1，2]。海棠与苹果亲缘关系较近，且成花量极大，花粉活力高，花期长，常作为苹果的授粉树栽植[3]。组织培养作为海棠快速高效繁育的一种手段，一直是人们研究的重点[4，5]。

光在植物生长过程中起着至关重要的作用，它可以通过调节光合色素进而影响植物的生长以及光合作用；光质可以影响植物的生长和形态结构，也能影响植物内含物积累[6-8]。植物组织培养所需要的光主要来源于电光源，传统电光源对植物的生物能效极低并且发热量大，是植物组织培养过程中最高的非人力成本之一[9]，同时光源设计所选择的波谱范围较宽，无益于定量化研究。LED是发光二极管的简称，是半导体二极管的一种，是一种高效、节能、环保、稳定的新型组培光源，具备窄波谱，能发出高纯度的单色光[10，11]，波谱范围可灵活选择，可对光质与光强做到精确调控，是用于研究单色光对植物影响的绝佳材料。目前国内外已有LED在果树如火龙果[12]、蔬菜如姜[13]和花卉如紫皮石斛[14]等的应用报道，但有关LED不同光质对海棠组培苗生长及其生理特性的研究鲜有报道。因此，本研究采用LED光源发射的红、蓝单色光谱与白光进行对比试验，通过对多项形态及生理生化指标的测定及分析，比较不同光质处理下海棠组培苗生长和生理特性方面的差异，以期获得最有利于海棠组培苗生长的光质，为其组培苗的高效繁殖、规模化生产以及培育壮苗、提高移栽成活率、增强幼苗长势等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试材

供试材料为山东农业大学繁殖的性状良好的海棠组培苗。试验于2017年3月15日至2017年5月1日在山东农业大学组培室进行，湿度60%～70%，在无菌条件下，将1.0～1.5 cm长势一致的芽梢接种于培养瓶内，每瓶接种3株，共45瓶，培养基配方为MS+0.8 μmol/L IBA+0.3 μmol/L NAA+30 g蔗糖+6.5 g琼脂，pH 5.8。

1.2 试验处理

将上述植物材料置于LED光质下，红(R)、蓝(B)光质各设为一个处理，以白光(W)为对照，每种光质处理5瓶。调节电流及光源与植株的距离，使光强保持一致，具体光质条件参数见表 1 。于(27±1)℃、光照16 h (6∶00—22∶00)条件下培养45 d，观察植株形态，调查分化量、鲜重及干物质等，并测定海棠组培苗叶片的SOD、POD活性等指标，试验设置3次生物学重复。

表1 不同 LED 光谱能量分布的主要技术参数

1.3 测定指标及方法

1.3.1 分化量、株高、干鲜重 从培养瓶中取出植株，统计分化量，以瓶为单位，取每瓶每芽平均值，增殖系数=诱导芽数/接种芽数；株高测定从植株基部到茎尖的长度，用直尺测量；清除干净植株上的培养基块，称取鲜重；最后，将植株放入105℃烘箱杀青20 min，然后80℃烘干24 h至恒重，称量干重，并计算其含水量。

1.3.2 海棠组培苗生理生化指标测定 叶绿素a、b和类胡萝卜素含量的测定采用分光光度计比色法[15]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)法[16]；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法[17]；过氧化氢酶(CAT)活性采用Acbi等[18]的方法进行测定。丙二醛(MDA)含量参照Madhava等[19]的硫代巴比妥酸(TBA)法测定。

1.4 数据分析

所有数据用Microsoft Excel 2003进行统计并计算，用DPS v7.05软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同光质对海棠组培苗生长的影响

由图1和表2、表3可知，不同 LED 光质对海棠组培苗生长量有显著影响。蓝光LED处理植株生长旺盛，愈伤组织形成最好，株高、鲜重、干重显著高于白光处理，分别为白光的1.28、1.53、1.33倍；增殖系数为白光处理的1.24倍，但差异不显著。红光LED处理组培苗增殖系数、鲜重、干重等与白光无显著差异，分别为白光对照的69.59%、76.04%、88.10%，但叶片厚大，茎干粗壮。各光质处理间植株含水量无显著性差异。

图1 不同 LED 光质条件下海棠组培苗生长和茎段增殖情况

表2 不同LED光质处理海棠组织培养的表观生长情况

表3 不同 LED 光质处理海棠组培苗的形态指标

注：采用邓肯氏方差分析，同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同光质对海棠组培苗叶绿素含量的影响

由表4可知，红光和蓝光 LED 处理叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量与白光相比都有所降低，但差异不显著。蓝光处理下，叶绿素和类胡萝卜素含量最低，分别为白光处理的77.60%和85.45%。

表4 不同LED光质处理海棠叶绿素和类胡萝卜素含量 (mg/gFW)

2.3 不同光质对海棠组培苗抗氧化酶活性和MDA含量的影响

由表5可知，红、蓝LED单色光下海棠组培苗叶片 SOD、POD活性显著低于白光处理，SOD活性分别为白光处理的26.07%和37.25%，POD活性分别为白光处理的17.36%和53.38%；红光下CAT活性显著提高，为白光的2.00倍；在不同光质处理的组培苗中，蓝光处理的 MDA 含量显著高于白光处理，为白光的1.42倍，红光下MDA含量显著降低，仅为对照的73.55%。

表5 不同光质处理海棠组培苗叶片的MDA含量及SOD、POD和CAT活性

3 讨论与结论

光合色素具有吸收、传递和转换光能的作用，其含量的多少直接影响着光合作用的速率，叶绿素是光合作用中光传导途径和光反应中心的重要结构成分[20]。叶绿素 a 主要吸收波长为 640～660 nm 的红橙光，叶绿素 b 主要吸收波长为430～450 nm 的蓝紫光， LED 发射的单色红光和蓝光光谱分别与叶绿素 a 和叶绿素 b吸收的光波长相匹配[21]。杨长娟等[22]通过对洋桔梗组培苗增殖系数的研究发现，LED红蓝光(2∶1)处理的组培苗增殖量最高，是对照组日光灯处理的2.047倍。刘慧雯[23]研究发现，蓝光LED对铁皮石斛组培苗拟原球茎的诱导率最高，且混合光中诱导率随着蓝光比例的减小而减小，相反红光比例过大，增殖系数变小，这与本研究结果一致。本研究中红、蓝光质下组培苗株高均高于白光处理，分别为白光的1.09倍和1.28倍，蓝光下植株较为粗壮，验证了红光有利于茎的伸长，蓝光有利于茎的横向加粗，造成这些差异的原因可能为植株体内光敏色素的生色团和脱辅基蛋白存在多样性，不同的生物体和不同活性状态的光敏色素分子种类差别较大，对光质的吸收利用效率不同，导致植物愈伤组织的再生芽数、株高、茎粗等差别较大[23]。同时，红蓝光质还有可能调动了海棠组培苗内源激素分泌变化，这与康孟利等[24]关于蓝光、红光效应调动铁皮石斛内源激素的分泌和变化进而对细胞增殖和分化产生影响的结论一致。但光质效应并不能代替激素的作用，而是一种与激素交互作用的补偿/消减效应[4]。

光质能调节不同类型叶绿素蛋白复合物的形成，影响电子在光系统之间的传递，而光合色素的含量与组成直接影响叶片光合速率[25]。石镇源等[26]研究表明，单色红光和单色蓝光处理下虎雪兰组培苗几种色素指标的含量均较低；王亚沉等[27]研究发现，单一红、蓝光处理的碧玉兰组培苗叶片色素含量均较低。本试验也验证了这一点，虽然不同光质下组培苗叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量无显著性差异，但红蓝光下色素含量均有不同程度下降，其中蓝光下叶绿素a+b和类胡萝卜素含量与白光比分别下降22.40%和14.55%。

SOD、POD和CAT是植物细胞膜酶促防御系统的重要保护酶，对抗氧化酶活性以及MDA含量的测定可以用于评价植株受活性氧毒害、膜质遭受伤害的程度[28]。本研究中，红光下组培苗SOD、POD活性较白光下显著降低，但CAT活性显著提高，MDA含量显著降低，原因可能是在其活性氧生成量不增加的前提下，通过CAT活性的显著提高达到增强植株自身活性氧解毒能力的效果，带来MDA含量的显著降低，显著减轻膜质受伤害的程度[29]。LED蓝光有利于提高烟草组培苗SOD活性，降低MDA含量，进而有效地清除细胞中的超氧自由基，缓解对细胞质的伤害[30]。而本研究中蓝光下组培苗SOD、POD和CAT活性均比白光处理降低，MDA含量上升，与前人研究结果不一致，可能由于不同植株基因的差异，导致植株对光的响应系统存在差异，从而引起植物生长、代谢等过程的差异[31]。

综上所述，不同的LED光质会对海棠组培苗的生长及生理特性产生明显影响。蓝光处理的海棠组培苗生长健壮、茎秆粗壮，其株高、干鲜重等显著高于白光处理，蓝光对海棠组培苗的生长有明显的促进作用，可以缩短培育周期，增大繁殖系数，培育优质壮苗，从而有利于海棠组培苗的高效生产。