LED脉冲光对拟南芥生长的影响

2023-12-09刘木清

照明工程学报 2023年4期

孙苗，刘木清

(复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系，上海 200433)

引言

光是调节植物生长发育最重要的环境因子之一[1]。自然界中的光环境是变化的，植物生长的光环境也会受到周边环境的影响，如冠层形成的光斑与树荫会使植物接受到的光照不稳定[2]。近现代设施农业快速发展，人工照明广泛应用于植物培育[3-5]。但人工照明通常提供恒定光功率的光照，与波动的自然光环境有着很大差别。早在1966年，就有研究显示短脉冲光能诱导叶绿素的合成[5]。2014年，有研究表明随着红光闪光频率的增加，番茄叶片的净光合速率振荡幅度减小并趋向稳定，光合效率随之上升[6]。2016年，有研究结果表明脉冲光能促进黄瓜幼苗的光合速率和叶绿素含量[7]。本文旨在探究脉冲光与直流光对模式植物拟南芥生长发育的影响，为植物照明领域光环境的设置提供参考。

1 实验材料

1.1 植物材料

拟南芥是植物科学中的模式生物之一，就如医学中的小白鼠一样。其之所以成为模式植物，主要是具有以下几个优点：(1)拟南芥植株高10～30 cm，体积小，方便批量地在实验室中培育；(2)拟南芥生长周期一般在6周(42天)左右，与生长期为几个月的玉米、豌豆等相比，较短的生长期使得拟南芥受到植物学实验的青睐；(3)拟南芥是第一个完成基因组序列测定的高等植物，只有5条染色体，基因组很小，方便进行基因库构建、筛选，但它拥有的基因在功能类别上却与其他植物相差不多。基于以上优势，拟南芥作为一种模式植物适于植物学实验。

本实验中用到的是上海植物生理研究所提供的哥伦比亚野生型(Col)拟南芥幼苗，培育在蛭石配合营养土中，吸水性较好且土质松软。

1.2 植物照明系统

为了满足植物生长的光环境需求，本实验采用的是5 000 K全光谱LED，能较好模拟日光光谱。每块电路板上共焊28颗LED，每路7颗LED串联，共4路并联连接，以4×7矩形排列，如图1所示。灯具上加有光学透镜，能得到一个照度分布相对均匀的矩形光斑，与拟南芥的培育盒布局相符合，使得每株拟南芥接收到的光照强度基本一致。

图1 LED模组电路Fig.1 The LED module circuit

照明系统采用明纬48 V驱动电源，将220 V市电转为48 V恒压输出。LED驱动采用ZXLD1370多拓扑控制器，该芯片适用于6～60 V的工作电压，开关频率高达1 MHz，可以通过直流控制和高频脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制实现高精度调光。具体的照明系统电路模块设计如图2所示。在本实验中，采用的是100 Hz的PWM调光频率。

图2 照明系统电路框图Fig.2 Lighting system circuit diagram

2 实验方法

2.1 拟南芥处理

本实验用哥伦比亚野生型拟南芥幼苗由上海植物生理研究所提供，培育在12孔育苗盒中。育苗盒总长19.5 cm、总宽14.5 cm、高11 cm。每株拟南芥培育在30 mm×30 mm的育苗盒孔中。为了让拟南芥适应实验室环境，将36株(3盒)拟南芥置于恒温实验箱中静置处理2天，期间只按需浇水，不作其他处理。适应完毕后，从中选取24株(2盒)发育良好、形态更为相似的拟南芥作为本实验对象，如图3所示。

图3 光照实验前的拟南芥Fig.3 Arabidopsis before the light experiment

接受光照实验前的拟南芥幼苗茎叶长约10～20 mm，每株8～10片叶片，形态相似，颜色相近，生长发育状况良好。实验过程中，两组拟南芥(每组12株)均置于22 ℃的恒温实验箱中，每天接受16 h的光照(6：00—22：00)。每天定时定量浇水，密切留意植株的生长状况并拍摄对比照片。光照实验结束后，分别采集两组拟南芥的叶片，对叶片面积、叶柄长度进行测量与数据分析。

2.2 光环境设置

照明光源的评价标准常用光通量(lm)、光强(cd)、照度(lx)、亮度(cd·m-2)等，这些光度量是基于人眼的视觉效应来评价光辐射，根据人眼视见函数来计量。对于植物照明，不能直接用传统的光度量来衡量，需要一套针对植物自身光生理特性的评价标准[8]。光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)，定义为单位时间内通过单位面积的光合光子的摩尔数，单位为μmol/m2·s，该指标被植物照明研究领域广泛认可[9]。本实验中，用Kipper &ZONEN PQS 1和METEON数据显示仪来测量PPFD。

本实验设置了两组光照环境，分别为直流光组和脉冲光组，其参数设置见表1。

表1 直流光和脉冲光参数Table 1 Parameters of DC (Direct Current)light and pulsed light

脉冲光组的PWM调光频率设置为100 Hz，脉冲占空比设置为67%。两组灯具模组分别固定在培养架上，PPFD均为100 μmol/m2·s。对于脉冲光组，100 μmol/m2·s为脉冲光照的峰值强度，由于占空比设置为67%，脉冲光组下的拟南芥实际接受的光照能量为直流光组拟南芥的67%。图4直观地反映了两组光照条件的波形差异。

图4 光波形示意图。上为直流光波形，下为占空比67%的脉冲光波形Fig.4 Schematic diagram of opticalwaveform，with DC optical waveform on the top and pulse optical waveform with a duty cycle of 67% on the bottom

2.3 数据处理与分析

本文使用Image J图像处理软件对叶片面积和叶柄长度进行测量，采用SPSS STATICS 20软件对实验结果进行统计学分析。

3 实验结果与分析

3.1 光照处理后拟南芥的形态差异

两组拟南芥在不同光照条件下生长发育状态良好，但在形态上呈现出了肉眼可见的差异，如图5所示。首先，脉冲光组下的拟南芥较直流光组下的拟南芥体积更大，生长更为茂盛。其次，脉冲光组下的拟南芥叶片颜色更浅，为嫩绿色，而直流光组下的拟南芥叶片颜色为深绿色。

图5 光照结束后的拟南芥。左侧均为脉冲光组，右侧均为直流光组Fig.5 Arabidopsis after the end of light exposure，with the pulse light group on the left and the DC light group on the right

3.2 光照处理后拟南芥的叶片面积差异

在光照结束后，分别在两组拟南芥中随机摘取三株拟南芥，从中择取生长发育较完全的叶片进行叶片面积测量。脉冲光组拟南芥叶片平均面积为1.93 cm2，直流光组为1.69 cm2，脉冲光组叶片平均面积较直流光组增长了14.2%。对数据进行独立样本t检验，结果见表2。t检验结果显示，p=0.278>0.05，即两组光照条件下的叶片面积不存在显著性差异。

表2 叶片面积独立样本t检验结果Table 2 T-test results of independent samples of leaf area

3.3 光照处理后拟南芥的叶柄长度差异

在光照结束后，对上述择取的叶片进行叶柄长度测量。脉冲光组拟南芥叶柄平均长度为1.21 cm、直流光组为1.03 cm，脉冲光组叶柄平均长度较直流光组增长了17.5%。对数据进行独立样本t检验，结果见表3。t检验结果中t=3.666，p=0.014<0.05，存在统计学差异，即脉冲光对拟南芥叶柄伸长有明显促进作用。

表3 叶柄长度独立样本t检验结果Table 3 T-test results of independent samples of petiole length

4 结论

本文研究了峰值PPFD为100 μmol/m2·s的脉冲光(占空比67%)与100 μmol/m2·s的直流光对拟南芥幼苗生长发育的影响。从形态上来看，脉冲光下的拟南芥幼苗生长体积更大、叶片颜色更浅。从数据分析上来看，在脉冲光和直流光光照处理后，两组的拟南芥叶片面积不存在显著性差异，而叶柄长度存在显著性差异，即脉冲光组下的拟南芥叶柄更长，符合肉眼观察到的情况。

本实验中脉冲光的峰值强度与直流光相同，实际脉冲光组下的拟南芥接收到的光照能量为直流光组下的67%。因此，本实验结果是光强和波动光共同影响形成的。但根据拟南芥叶片光合作用的光响应曲线[10](图6)，在200 μmol/m2·s以下，拟南芥的净光合速率随着光强的增加而线性升高。据此可以推论，脉冲光对拟南芥光合作用的促进效果远大于光强对其影响，这为植物照明中光环境的设置提供了一个新思路。