植物激光灯的研究进展

万文昌， 石明明， 张 彬， 茆学华

(1.上海应用技术大学 a.电气与电子工程学院; b.理学院, 上海 201418;2.杭州彬康农业科技有限公司，杭州 310000; 3.杭州三得农业科技有限公司，杭州 310000)

为贯彻落实中国第十三个五年计划的部署，2016年10月，在李克强总理签订的“《全国农业现代化(2016-2020)》”的规划中提到提高信息化水平和技术装备以及着力进行农业的转型和升级，将加速农业现代化进程[1]。此外，2015年由中国国务院发布的《中国制造2025》[2]中提到鼓励企业引进高科技设备，这有利于推动了我国激光制造产业的发展。激光的发明[3-4]在20世纪的重大科学技术发明中，能够与计算机、原子能和半导体相提并论，虽然我国激光与国际上相比起步稍晚，但我国激光技术发展迅猛，目前的激光技术跃居世界前列。激光从诞生之初凭借着优异的性能应用在农业、工业、医药等各个领域[5-7]，并取得良好的效果。

可见光(波长380～760 nm)是植物进行光合作用固定二氧化碳[8]、释放氧气维持着大气中气体的转换平衡的重要因素，特别是光质对植物的发育[9]、物质代谢和基因调控[10-12]均有促进作用。在传统农业中，我国北方的冬天太阳入射角度低、植物单位面积的光能量不足、日照时间短，自然光无法满足植物对光的需求而且受到恶劣天气的影响，导致植物的生长速度过慢。人们使用温室大棚虽然能解决温度问题[13]，但改变不了植物单位面积的受照光强。因此如何促进植物的高效生长、提高作物产量[14-17]的问题一直备受关注。研究者研制出的一种植物补光灯，解决了温室大棚作物生长这一关键的问题。目前用于植物照明的光源主要为LED植物灯、荧光灯、卤素灯，技术手段上只能通过增加灯的功率来扩大植物受照面积，但产生的光对植物生长并没有取得更好的效果，功率的增加必定会引发散热问题，会加速LED、卤素灯、荧光灯的老化，影响了植物灯的使用寿命。为解决上述植物灯存在的问题，需要一种辐照能量强、单灯功耗低、单色性好、覆盖面积广的新型光源。激光植物灯具有激光定向发光、极高的亮度、高的功率密度、较好的单色性、极高的辐射能流等优异的光学性能，植物生长过程中使用激光相灯，能将适宜的光子摄入植物细胞并增加植物细胞的生物能，提高有关光合作用酶的活性并加快植物的生理代谢[18-120]，从而使得植物的光合效率提高，进一步促进了植物的高效生长。另外，激光和LED一样还能改变植物的营养结构以提高农作物的品质。作为新型的植物补光灯，激光植物灯具有许多优良的性能：覆盖面积广、体积小、寿命长、功耗低、光谱更精准。本文将从激光器的发展历程及激光对植物产生的效应进行阐述，探讨激光植物灯在现代农业中的应用以及对未来的展望。

图1 啁啾脉冲放大技术[24]

1 激光器

“受激辐射”概念于1917年由爱因斯坦提出，1960年5月15日，科学家梅曼(T.H.Maiman)在加利福尼亚州成功研制了世界上首台激光器。1961年,中国首台激光器在长春被中科院长春光机所研制成功。1964年10月，钱学森建议将“LASER”的中文名定为激光，不仅能反映出“受激辐射”的科学含义，同时在国内的科学界认知程度相对较高并沿用至今。脉冲式激光器和连续波激光器[21]是根据激光的输出方式不同进行分类，而根据工作介质的不同又可分为“固体、液体和气体激光器”。

1.1 脉冲式激光器

脉冲式激光器是指单个脉冲宽度<0.25 s、具有一定工作周期的激光器，拥有较大的输出功率。自世界上首台激光器-红宝石激光器实现了脉冲宽度为几十ns的短脉冲输出以来，脉冲式激光器经历了调Q激光器、锁模激光器以及啁啾脉冲放大技术3个阶段，这3次技术缩短了脉冲宽度的技术革新阶段[19]。

调Q技术是调Q激光器的核心技术，根据调Q方式的不同可分为主动调Q和被动调Q，国内外对调Q技术的研究主要集中在20世纪60～90年代。Kovacs等[22]率先通过转镜技术实现了调Q开关CO2激光器的脉冲激光输出，得到了脉冲宽度为300 ns、峰值功率为10 kW的激光输出。相位锁定技术在1964年首次在氦氖激光器上得到应用,1968年人们开始了横向和纵向锁模的研究探讨。20世纪70年代后，主加被动锁模、同步锁模等技术的发展比较迅速，目前使用锁模技术可以将钛掺杂蓝宝石固体激光器产生的激光脉冲宽度压缩到了飞秒(10-15s)级。然而从激光器应用方面考虑，激光器将要向更高能量输出、更短脉宽以及更高的功率发展[23]，但激光增益介质饱和度和破坏阈值都会限制调Q技术、锁模技术的发展，很难再进一步提升激光的性能。因此实现超短、超强的脉冲激光器的核心技术为啁啾脉冲放大技术[24]，如图1所示。将时分复制脉冲放大技术与啁啾脉冲放大技术相结合是继续提高脉冲能量以实现高功率的有效手段之一[25]。2013年，Guichard等[26]将单路啁啾脉冲放大系统输出的400 fs的脉冲经时分复制脉冲放大技术复制处理后，进行输出压缩，获得了脉冲宽度为71 fs、峰值功率为86 mW、脉冲能量为7.5 μJ的脉冲。此技术的出现，表明脉宽阿秒(10-18s)级将在不久会实现。

1.2 连续波激光器

连续波激光器是指以不同连续激励工作方式的固体激光器、气体激光器及半导体激光器。各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布，其工作特点是可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行输出，可持续输出一定功率，其具有较好的单色性、相干性和稳定性，以及结构简单、操作方便等优点，广泛应用于生物领域。He-Ne激光器作为该类激光器的代表，孟菁等[27]使用He-Ne激光器(辐射计量为5 mW·mm-2，波长为632.8 nm)对水稻进行照射，结果显示，He-Ne激光器提高了水稻在高浓度盐离子环境下的适应性，在一定程度上能降低盐胁迫对水稻的负面影响。较高剂量的He-Ne激光器诱变能促进分葱的生长[28]，激光的照射还能提高Rubisco活化酶的活性[29]。CO2激光器的平均输出功率在气体激光器中排在前列，CO2激光器照射小麦也能通过提升酶的活性来增强小麦的抗旱性[30]，而且具有造价成本低、发出的红外光易被许多物质吸收、能量转换率高等优点，所以该激光在农作物育种、通信、医疗和工业加工等方面广泛应用。

图2 不同He-Ne激光处理下可溶性糖及可溶性蛋白质对比[32]

2 激光的植物效应

光是植物生长发育的过程中不可或缺的因素，并且还能起到一定的调节作用。而激光对植物的生长发育、植物的生理代谢活动有一定的影响。有研究显示，激光的辐照强度和辐照时间决定了激光对植物的作用，低剂量的激光对植物的发育有一定的正面作用，而高剂量的激光则会出现诱变效应。激光对植物体感化机理较大，但大致可以经由激光在光化学效应、遗传效应两方面对植物产生的作用加以思量。

2.1 激光对植物的光化学效应

植物在光的作用下能激活植物组织或细胞，从而引起的化学反应，称为光化学效应。只有被植物体充分利用的光照才有可能对植物体产生影响，被吸收的光可能会加速植物体内产生某些生物化学反应。激光作用于植物体后，有机体吸收了高能量密度的光子，可能发生光化学反应。

激光作用于植物体代谢的机制很有可能为酶受光产生反应引起酶的光激活。齐智等[31]研究发现，使用He-Ne激光器辐照可加速玉米幼苗的可溶性蛋白质的合成，改变蚕豆(ViciafabaL.)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(peroxidase,POD)，推断出被激光辐照过的种子的萌发速度会加快的可能原因是，激光刺激了植物体内某些酶的表达，进而诱导了种子的萌发和幼苗的发育。李晓阳等[32]使用一定剂量的He-Ne激光器照射拟南芥种子，通过对一些指标的测定(可溶性蛋白质、糖、叶绿素和MDA含量)，发现适量He-Ne激光的辐照时间(4 min)可以显著提升酶的活性从而提高可溶性糖和蛋白质的含量(见图2)、叶绿素的含量(见表1)，说明适量的激光对生物体的光效应可以促进种子的萌发。

2.2 激光对植物的遗传效应

一般认为，激光对生物作用机制与其受到的光、压力、热、电磁和生物刺激效应有关。有研究称，0.632 8 μm的He-Ne激光照射的植物中都产生了自由基[33]，这是由于多光子作用产生的，同时也使得不同波长的激光可能会对同一生物体产生共振作用[34]。从而更容易产生“共振”作用使DNA键断裂，导致生物体内染色体发生基因突变、染色体结构的改变或关键性遗传物质发生改变。

表1 He-Ne激光处理下叶绿素含量的变化[32]

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示不同处理之间在0.05水平存在显著差异(n=3)。a代表一个处理组，b代表为一个处理组，ab表示 CK与L1、L3、L4有无显著差异，与L2、L5有显著差异。若一个字母处理为a，则与一切包含a的无显著差异，和所有不包含a的具有显著出差异(b、c、d同理)。若为多个字母如cd，则与一切既不包含c也不包含d的处理有显著差异，和包含了c或者d的无显著差异。

从激光育种机理研究，使用激光辐照能加快染色体之间的交换，诱导了染色体和染色单体的变异。有研究显示，在受激光辐照的染色体中，染色体间发生链接，直至分裂后期以1.2 μm的距离分开，并始终保持原来的空间形态。另有研究发现，激光辐射还能让染色体内的DNA的氢键断裂，或者通过激发DNA中合成酶来诱导DNA双链解开，进而诱发DNA的修复合成。He-Ne激光器可降低被UV-B辐照的小麦根尖细胞染色体数目[35],缓解UV-B辐照对胚总RNA合成的抑制，促进种子DNA的修复合成速率，有助于修复被UV-B损伤的植物DNA[36]。相关研究有助于验证激光作用植物的光化学反应及遗传效应机制。

图3 不同剂量He-Ne激光、Nd∶YAG激光辐照对不同品种的水稻的发芽势[40]

3 激光在现代农业中的应用

现代农业主要是将农业生产从天然的环境因素到利用自然，使用科学技术手段来改造自然环境以获取高生产率为目的。而在所有的环境因素中，光是影响植物发育、形态构建和物质积累的因素之一[37]。由于激光对植物具有生物效应，因此激光可应用于诱变育种，自20世纪70年代初，我国在激光突变育种进行了研究，目前无论是在农作物领域(粮食作物、经济作物)还是在水产以及微生物领域都获得了丰硕的研究成果。下面将从粮食作物、经济作物两方面进行论述。

3.1 粮食作物

3.1.1 水稻

鉴于水稻在我国的经济地位，备受青睐。目前用于植物补光的激光器包括He-Ne激光器、CO2激光器、N2激光器、Ar+激光器以及激光二极管。

激光对水稻种子的诱变及生长发育的影响：焦顺吉等[38]使用钛宝石飞秒激光照射龙稻5号水稻种子，发现种子的发芽情况受不同剂量的激光调控，结果表明，SOD酶和POD酶的突变可能是水稻幼苗受激光的影响产生了基因突变。王晟宇等[39]利用He-Ne激光(功率1.2 mW，波长632.8 nm)分别辐射20粒云恢290、会粳17号、明两优527、两优1259种子，辐照时间分别为0,15,20,25,30,35 min，结果表明，激光辐照对水稻种子的萌发有较大的诱导作用，在一定程度上可以促进水稻种子的萌发和幼苗的生长。王一波等[40]分别利用He-Ne(波长632.8 nm)、Nd∶YAG(波长532 nm)激光对3种水稻种子(黔优207、茂优601、汕优联合2号)进行辐照，实验得出(见图3)，一定剂量的2种激光对不同品种水稻的发芽率以及发芽势均有显著提高,且不同品种的水稻对激光的敏感性不同导致所需要的激光剂量也不相同，研究表明一定剂量的激光可以促进水稻的发育以及提高水稻的突变率。

激光对提高水稻的抗逆性：马晓丽等[41]选用水稻9311作为对照、将耐盐海稻86作为实验对象，利用0.5%的氯化钠模拟盐胁迫，使用He-Ne激光(辐照剂量5 mW·mm-2,波长为632.8 nm)进行照射，结果显示适量的He-Ne激光辐照一定程度上能缓解盐胁迫对水稻产生的负面影响，其中水稻9311的实验结果表现最为明显，表明一定剂量的Ne-He激光可以提高水稻在高盐离子环境的适应性。朱培良等[42]使用波长为118.8 μm的亚毫米波对水稻进行辐照，研究得出功率(2～5 W)与辐照时间为60 min使水稻后代的抗病突变率达到了38.0%。也说明合适剂量的激光辐照量能提高水稻后代的抗病突变率，对促进我国水稻发展有重要意义。

3.1.2 小麦

近年来，由于臭氧层减薄导致增强UV-B辐照，破坏植物的叶绿体结构和功能。激光可以修复小麦的损伤及提高其细胞器中酶的活性：根据研究[43-44],合适剂量的激光辐照可修复被增强UV-B损伤的小麦叶片，提高PAL、POD及Na+/K+-ATP酶的活性。常阿丽等[45]研究表明，选用“ML7113”小麦幼苗为实验研究对象，采用He-Ne激光(5 mW·mm-2)和增强UV-B[10.8 kJ/(m2·d)-1]辐射以及2种激光混合辐照处理，使用叶绿素荧光仪测定，经不同天数处理后，幼苗叶绿素荧光特性的变化，结果得出小麦在较低的Ne-He激光器辐照后，在一定程度上修复小麦幼苗叶绿素荧光经UV-B辐照后造成的损伤。

激光可以提高小麦的抗逆性：分别以不同辐照强度的He-Ne激光器对小麦(受到低温胁迫)进行辐照，结果显示，处理时间为2 min、辐照剂量为20.8 J时，显著提高CAT、SOD和POD，3种酶的活性从而提高了小麦的抗寒性。有研究显示，利用CO2激光与外源NO在低温下也可对小麦进行保护[46]。李金亭等[47]用He-Ne激光预处理被镉胁迫的小麦，经过预处理可通过缓解镉胁迫对小麦的生长抑制、促进酶和非酶类的氧化剂的生成、降低产生脂质过氧化物的量，以提高小麦在镉胁迫环境中的适应性。使用激光在现代农业中的应用，减轻了环境对小麦带来的影响。

3.2 经济作物

3.2.1 棉花

棉花的生长不仅受温度、光照、水分和养分等坏境因素的影响，还受激光、激素等物理、化学技术的影响。许玉璋等[48]使用不同种的He-Ne激光器对四组秦棉一号进行试验，探究激光对棉花生长发育规律的影响。不同的激光处理对棉花生育期的影响如表2所示，不同激光处理对棉铃的影响如表3所示。研究表明，用20 mW 10′He-Ne激光器处理的棉花，比对照组现蕾期和吐絮期分别提前6、10 d，伏桃比对照组高出37.3%，棉花的成熟周期得到缩短和产量得以提高。

3.2.2 花生

花生作为我国主要经济作物之一，但由于UV-B辐照产生的影响，使花生的幼苗的光合速率，水分利用率和酶的活性降低，导致一直以来花生的生长受到制约使其产量受到约束。高晓玲等[49],使用He-Ne激光器(MSHN-A-B450MM波长为632.8 nm，输出功率为30 mW,光斑直径6 mm)照射被UV-B辐照的植物种子的胚，结果如表4，实验表明，Ne-He激光对UV-B辐照过的花生幼苗具有明显的修复效应，并且He-Ne激光通过激发酶的活性，以提高幼苗的气孔张开、水分利用率和净光合速率，对花生的增产具有重要的作用。为研究不同剂量，不同波长对花生的影响，欧琳等[50]研究了Kr+、Ar+、YAG、LD等不同激光器对花生幼苗的影响，研究表明，辐照剂量为23/cm2的情况下，在较大的功率密度下(实验为1.28 W/cm2),长波长的激光对花生种子的发育具有将较强的促进作用，在较小的功率密度下(实验为0.128/cm2)，短波长的激光对花生幼苗的生长有显著的促进作用。

表2 不同激光处理对棉花生育期(月/日)的影响[48]

表3 不同激光处理对株铃的影响[48]

表4 紫外线和激光辐射对花生的效应[49]

4 结 语

目前我国高新激光器技术主要应用于军事、工业、航天航空等方面，但是激光对植物的所需光波长、单位面积受照强度、辐照时间的研究数据较少，例如将激光应用在种子处理、幼苗发育、植物的生物效应以及激光的作用机制的研究，虽然国内在激光处理对部分植物的抗辐射、耐盐性、抗旱性的研究取得了很好的成绩，而且激光在诱变育种、激光提高植物的抗逆性、增加农作物的产量具有较强的促进作用，但是不成规模。并且近几年我国物联网、大数据、云计算、生物技术等高新技术的发展，为激光对植物的研究提供了分析捷径，未来可通过激光与高新技术相结合的方式以加快激光对植物的作用机理研究的速度。