不同LED光质对香蕉组培苗生长及光合特性的影响

窦同心，王婷婷，马 健，李 阳，易干军

(1 广东省农业科学院果树研究所/农业部南亚热带果树生物学与遗传资源利用重点实验室/广东省热带亚热带果树研究重点实验室，广州，510640；2 福建省中科生物股份有限公司/光生物产业研究院，福建泉州，362400)

香蕉(Musaspp.)为芭蕉科芭蕉属多年生大型草本单子叶植物，是贸易量和消费量最大宗的水果之一[1]。据联合国粮农组织统计，2017年全球香蕉种植面积超过500万hm2，年产量超过1亿t，我国香蕉种植面积38.13万hm2，产量1 142.3万t，种植面积和总产量分别位居全球第五和第二位。香蕉产业已成为我国南亚热带地区农民脱贫致富、乡村振兴的重要支柱产业。自20世纪80年代推广香蕉组培苗以来，香蕉组培苗的生产规模迅速扩大，随着种植区域的不断扩大和果品质量要求的不断提高，人们对香蕉组培苗的质量要求也变得更为严格[2]。由于光环境是影响组培苗的形态建成、光合生理、生长发育等过程的主要因子，所以人工光环境调控已成为当前香蕉组培育苗生产的核心技术之一[3]。目前，香蕉组培育苗工厂化生产过程中的光源主要是荧光灯，其光谱固定不可调节，并不是香蕉组培苗生长的最适光源；另外荧光灯的高耗电量也增加了生产成本[4]。可见，为了获得高品质香蕉组培苗和降低生产成本，有必要探寻更加合适香蕉组培育苗的光源方案。

随着LED半导体技术的发展，高效节能、光谱可调的LED已在植物培育领域被广泛应用。研究认为，LED多色组合光对比红蓝组合光更有利于植物的生长。例如红光∶蓝光∶UV-B(20∶5∶1)对比红蓝组合光更有利于冰菜生物量的增加和品质的提高[5]；LED红黄蓝(4∶1∶1)组合光处理下枳壳幼苗地上部分的生物量最大，根冠比最小[6]；在红蓝组合光条件下适当增加绿光会显著提高黄瓜叶片的叶绿素含量，增强其光合作用能力[7]，减缓莴苣叶绿素的降解，促进莴苣的生长[8]，显著提高生菜的可溶性糖含量[9]；陈光彩等[10]研究发现，LED红蓝组合光处理的香蕉组培苗根数、根长、茎粗、叶片数、生物量等均比荧光灯处理更有优势。但上述研究仅局限于单色光或者红蓝光组合对香蕉组培苗生长的影响，其他光质的红蓝光组合是否更适合香蕉组培苗生长，还需进一步研究。

本研究以香蕉组培苗为试材，以LED为试验光源，探讨了香蕉组培苗在不同LED组合光质处理下的生长情况及光合特性，筛选适宜香蕉组培育苗的LED光质配方，以期为提高香蕉组培苗质量，建立高效的工厂化组培育苗体系提供强有力的技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年3月至2020年7月在福建省中科生物股份有限公司光生物产业研究院中试实验室进行，以生长健壮、长势一致的“巴西蕉”组培生根苗为试材，株高2 cm，统一放置于组培架上进行不同试验光质培养，组培时间30 d。组培试验室昼夜温度分别为25和20 ℃，空气湿度为55%，CO2浓度为400 μmol/mol。

1.2 光环境设置

设置荧光灯照射，白光光子数分布为(40±5)μmol·m-2·s-1为对照；及6个LED光质处理，(1)红光+蓝光处理，红光光子数分布分别30、32、35 μmol·m-2·s-1，对应的蓝光光子数分布分别10、8、7 μmol·m-2·s-1，即红光∶蓝光分别为3∶1、4∶1、5∶1，处理编号分别为3R1B、4R1B、5R1B；(2)红光+蓝光+绿光处理，红光光子数分布分别24、21、12.5 μmol·m-2·s-1，对应的蓝光光子数分布分别为6、7、10 μmol·m-2·s-1，对应的绿光光子数分布分别9、14、20 μmol·m-2·s-1，即红光∶蓝光∶绿光分别为8∶2∶3、3∶1∶2、5∶4∶8，处理编号分别8R2B3G、3R1B2G和5R4B8G。LED光源由福建省中科生物股份有限公司自主研发，其中红光(R)波长600～699 nm，峰值波长为660 nm；蓝光(B)波长400～499 nm，峰值波长为450 nm；绿光(G)波长500～599 nm，峰值波长为526 nm，所有处理光照时间为12 h/d，每处理放置香蕉组培苗15袋，每袋10株，共150株，待苗长至五叶一心时，进行相关形态指标和光合特性指标测定，重复3次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 形态指标测定 每个重复随机选取香蕉组培苗20株，测定幼苗株高、假茎粗、叶长、叶宽、根数、根长、叶片数、单株鲜质量、叶绿素含量和叶面积。叶绿素含量使用叶绿素仪SPAD 502 Plus(Specmeters，日本产)，叶面积采用张勇等[11]的方法测量。

1.3.2 光合参数的测定 每个重复随机选取香蕉苗10株，每株苗选取从上往下数第2片成熟真叶，采用光合仪(LI-6800，美国LI-COR公司产)进行光合参数测定，包括光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等指标。测定时光强为40 μmol·m-2·s-1，叶温为25 ℃，CO2浓度为400 μmol·mol-1，测量时间为每天的9：00—11：30。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定 将香蕉组培苗叶片进行暗适应30 min后，每株苗选取从上往下数第2片成熟真叶，利用连续激发式荧光仪 Handy PEA(Hansatech，英国产)进行叶绿素荧光参数的测定，具体方法参考文献[12-13]。试验重复3次，每重复随机选取组培苗10株。

OJIP参数及含义：Fv/Fm为PSII最大光化学效率，PI abs为光吸收基础性能指标，DI0/RC为PSⅡ单位反应中心(RC)耗散掉的能量(在t=0时)，TR0/RC为单位反应中心(RC)捕获的并用于还原 QA的能量(在t=0时)，TR0/CS0为单位面积捕获的光能(在t=0时)，ABS/CS0为单位面积吸收的光能(在t=0时)，ET0/CS0为单位面积电子传递的量子产额(在t=0时)，DI0/CS0为单位面积的热耗散(在t=0时)。电子从脱镁叶绿素到质体醌有两个中间受体QA和QB，电子先传递到QA再到QB。

1.4 数据统计分析

数据为平均值±标准差，采用DPS v14.10软件，Duncan’s新复极差法进行数据显著性分析。

2 结果与分析

2.1 对组培苗形态指标的影响

从表1可以看出，不同光质处理下，组培苗株高、假茎粗度、叶面积、根数、根长、叶片数、单株鲜质量与对照差异显著(p<0.05)。3种红蓝组合光处理下，香蕉组培苗株高范围为5.96～16.58 cm，其中4R1B处理的香蕉组培苗平均株高最高，为6.58 cm，且高于对照。同时，该处理组培苗的叶面积、根数、叶片数和单株鲜质量也最高，说明LED红蓝组合光处理中，红光∶蓝光=4可有效促进香蕉组培苗茎的生长，植株健壮，根系发育良好。LED红蓝绿组合光处理中，8R2B3G处理的组培苗质量最佳，株高、假茎粗、叶面积和单株鲜质量均优于其他两个红蓝绿光处理，且株高和单株鲜质量与其他两个红蓝绿光处理达到显著性差异；其中，单株鲜质量较3R1B2G和5R4B8G处理分别提高了66.37%和32.45%。而8R2B3G处理组培苗株高、叶面积和单株鲜质量均高于4R1B处理，其中8R2B3G处理的单株鲜质量比4R1B处理提高了22.88%。说明红光∶蓝光=4处理中增加23%的绿光更有利于组培苗生长。同时，4R1B处理的组培苗的株高、假茎粗、叶片数、单株鲜质量都高于3R1B2G和5R4B8G处理，说明绿光对组培苗生长的影响不是绝对的，光谱中各波段的光量子占比决定了组培苗生长。本研究条件下，8R2B3G(红光∶蓝光∶绿光=8∶2∶3)处理的组培苗各项形态指标最好，最有利于促进组培育苗生长(见图1)。

图1 不同光质处理下“巴西蕉”组培苗生长情况

表1 不同光质处理对“巴西蕉”组培苗形态指标的影响

2.2 对组培苗单位反应中心能量流动的影响

叶绿素荧光参数能直接反映光系统Ⅱ(PSⅡ)对光能的吸收、传递和耗散情况，进而可以推断植物的生长情况，对植物的抗逆性进行判断。从表2可以看出，3R1B、4R1B、8R2B3G和5R4B8G处理的Fv/Fm(PSII最大光化学效率)与对照差异不显著，但均显著高于5R1B和3R1B2G处理。当植物处于非逆境条件下，Fv/Fm一般为0.75～0.85[14]，5R1B和3R1B2G处理的Fv/Fm低于0.75，表明这两个光质处理的组培苗叶片可能受到轻微胁迫。PI abs(光化学性能指数)是反映植物叶片的光合综合性能的指标之一[15]。Fv/Fm与PI abs变化趋势基本一致，但对比PI abs大小，发现不同处理的叶片光合能力差异显著，其中8R2B3G处理的组培苗叶片光合性能最强，其次是4R1B和5R4B8G处理。对照组培苗在PSII单位反应中心捕获的并用于还原QA的能量(TR0/RC)显著低于其他光质处理，说明对照减少了组培苗光合过程中的PSII的能量传递。8R2B3G和3R1B2G处理的单位反应中心(RC)耗散掉的能量(DI0/RC)最高，而5R1B处理的DI0/RC最低。对比LED不同光质处理，发现增加绿光后PI abs、DI0/RC有一定程度的提升，其中绿光占比在23%左右时(8R2B3G)PI abs、TR0/RC、DI0/RC均较大。说明8R2B3G处理的组培苗单位反应中心电子传递较多，可用于光合作用的潜在电子也更多。

2.3 对组培苗单位反应面积能量流动的影响

从表2可以看出，不同光质处理对组培苗叶片单位反应面积内电子能量流动影响存在显著性差异。对照的组培苗单位面积(CS)捕获的光能(TR0/CS0)、吸收的光能(ABS/CS0)和单位面积的热耗散(DI0/CS0)都处于中间水平；而单位面积电子传递的量子产额(ET0/CS0)最小，除3R1B外，与其他LED处理均达到显著性差异。LED红蓝组合中，4R1B处理的ABS/CS0、TR0/CS0比5R1B处理分别提高19.04%、14.85%，4R1B对比3R1B、5R1B处理更有利于组培苗光合过程对光能的捕获和吸收。LED红蓝绿组合中，8R2B3G处理的TR0/CS0、ABS/CS0、ET0/CS0和DI0/CS0均最高，与4R1B处理差异显著；除DI0/CS0外，其余均与3R1B2G和5R4B8G处理存在显著性差异。其中8R2B3G处理的TR0/CS0、ABS/CS0和DI0/CS0比5R4B8G处理(最小值)分别提高25.14%、40.35%和24.36%，说明R∶B=4红蓝光处理增加23%的绿光，能显著提高组培苗单位反应面积内的光量流动水平，同时绿光含量超过23%时不利于组培苗叶片对光能的吸收和传递。

2.4 对组培苗光合参数的影响

从表2可以看出，对比对照组培苗Pn，LED组合光处理无优势。LED红蓝光组合处理中，蓝光占比增加有利于组培苗净光合速率(Pn)的提高，其中3R1B处理的Pn显著高于5R1B处理，提高40.20%。LED红蓝绿组合处理中，绿光含量越高，Pn越低，8R2B3G处理的Pn最大，与5R4B8G处理差异显著。4R1B和8R2B3G处理的组培苗Pn未达到显著性差异，说明在R∶B=4处理基础上增加23%绿光没有影响组培苗的净光合速率；同时，8R2B3G对比5R1B(R∶B=5)处理，Pn提高29.41%，说明绿光能缓解高红光处理对组培苗Pn下降的影响，这和8R2B3G处理的电子传导速率和光能利用率较高有一定关系。各处理的组培苗Ci无显著性差异；Gs与Tr的变化趋势基本一致，红蓝光组合中蓝光占比较高或者增加23%的绿光有利于香蕉组培苗气孔展开和加速蒸腾。

表2 不同光质处理对“巴西蕉”组培苗单位反应中心和反应面积能量流动及光合参数的影响

3 结论与讨论

光环境作为植物生长的必要条件，一直是国内外植物组培研究的热点之一。随着光环境的改变，植物的生长指标也会有所差异[16]。已有研究较好地描述了红光条件下补充不定比例的蓝光可有效促进植株生长的事实[17-19]。本研究发现，一定比例的红蓝光处理的香蕉组培苗的生长差异显著，其中4R1B处理的株高最高，这与陈光彩等[10]的研究结果一致。在红蓝光组合中增加23%、33%和47%的绿光对香蕉组培苗的株高、单株鲜质量等存在显著性影响；绿光占比在23%时(8R2B3G)，香蕉组培苗的株高、单株鲜质量、叶面积均显著优于其他比例绿光处理。这与Him等[20-21]在红蓝光组合中补充24%绿光可促进生菜生长，提高生菜产量的研究结论相一致。

植物进行光合作用时，吸收的光能大部分用于光化学反应的能量转换，只有少部分以热能和叶绿素荧光等形式散失掉。试验中，以8R2B3G处理的Fv/Fm、PI abs、ABS/CS0、TR0/CS0、ET0/CS0和DI0/CS0最大，说明R∶B=4基础上增加23%的绿光可使香蕉组培苗光合作用时PSⅡ系统用于电子传递的能量增加。可是8R2B3G和4R1B处理的Pn无显著性差异，分析认为，虽然在R∶B=4基础上增加23%的绿光能提高捕获、吸收和传递的光量子数；但是DI0/RC较高，说明绿光参与了香蕉组培苗的光合作用，促进能量流动的同时也增加了热耗散，该阶段电子传递的能量变化也反映在了植株形态上。当光强一致时，LED红蓝光组合中蓝光占比增加Pn值较大，该结论在黄瓜[22]、玉簪组培苗[23]、茄子幼苗[24]等植物中已得到广泛验证。本研究中，4R1B和8R2B3G处理的香蕉组培苗Pn无显著性差异，但比5R1B处理提高29.41%，说明绿光参与了香蕉组培苗的光合作用，预测与8R2B3G处理的叶绿素含量及捕获、吸收和传递的光能较多有关。上述结果进一步验证了Bouly等[25]、Materova等[26]认为，绿光能够参与并影响植物光合作用，相比于红、蓝光更能够深入植物冠层，有利于光合作用。由于植物生长过程的复杂生理变化，加上其他环境因子对植物形态特征的影响，光合系统中的电子传递情况和Pn不能完全表现在植物的最终形态上。

综上所述，8R2B3G(红光∶蓝光∶绿光=8∶2∶3)光质处理不仅有利于香蕉组培苗株高、叶面积、单株鲜质量等形态指标的增加；也可有效促进香蕉组培苗光合作用时的电子传递，提高Pn。该研究结果不仅为香蕉组培育苗提供了最佳光源配方，并将为后续降低香蕉工厂化组培育苗的成本提供了参考，具有重要的理论和实践意义。