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如何为组培及幼苗选择生长灯光谱?


植物组织培养(tissue culture)是一种将植物体的部分细胞或组织与母体分离,在适当的条件下加以培养,使它们能够生长、发育、分化与增殖的技术,又称为植物克隆,通过无菌操作将植物体的各类结构材料——外植体(根尖、茎段、茎尖、幼叶、幼胚、花药等)接种于人工配制的培养基上,在人工控制的环境条件下进行离体培养的技术与方法。植物组培的优点有生长周期短,繁殖率高;培养条件可以人为控制;管理方便,有利于工厂化生产和自动化控制等。
植物的组织培养
其原理是来自植物细胞具有全能性分化能力(totipotency),也就是植物体内的某一类细胞,能够独立发育并且分化成为完整的植物成体。由于植物细胞中包含该物种的全部遗传信息,具备发育成完整植株的潜能,即植物细胞具有全能性。因此,通过植物组织培养可以得到完整植株或生产具有特定价值的其他产品。
植物组培在生产上得到了广泛应用,包括快速繁殖、培育无毒苗、选育新品种、人工种子等。植物组培技术繁殖植物不仅快速,而且可摆脱自然地理环境和季节的限制,对繁殖系数低和经济价值高的植物品种具有重要意义。

在植物组织培养过程中,幼苗形态建成与生理生化变化受到诸多环境因素(光照、温度、湿度等)的影响。其中,光品种对植物细胞、组织、器官的生长和分化有着极其重要的作用。从外植体愈伤组织诱导到形成完整植株的各个形态建成阶段均受到LED光质的影响,且不同植物的不同组织培养阶段对光质的反应也不同。
不同实验室之间缺乏协议重现性的主要问题是环境要素。光(数量,尤其是质量)是众多因素中的一种,很少有研究介绍所用光源的频谱质量。随着发光二极管(LED)的出现,在培养架内使用光的导向下,对于环境控制与形态建成响应取得令人瞩目的进展。目前市面上推出具有不同光谱的多种LED灯,光在大规模繁殖(尤其是液体生物反应器系统)中非常重要。LED技术在不断快速升级并创造出新的可能性。对于能光合自养植物繁殖,光是整体系统中的关键部分。
LED光谱与组培


LED光质对愈伤组织诱导、生长及分化的影响

植物组培的方法是引发愈伤组织(callus),然后便等待其诱导成为根或芽,最终成为小植株。愈伤组织培养是植物离体培养的重要组成部分。除了组培的培养基成分的作用以外,光质也可起到非常重要的作用。

愈伤组织的诱导

愈伤组织诱导
研究发现100%的红光对兰花愈伤组织的诱导率最高,在红蓝光比例为3:1时愈伤组织的生长效果最佳。单色红光LED促进红掌愈伤组织形成,但随着蓝光比例的增加,叶片愈伤 组织诱导率逐渐降低。红光和白光促进辣椒子叶愈伤组织的诱导,绿光和蓝光则表现出抑制作用。黄光有利于萝卜下胚轴愈伤组织的诱导,而蓝光促进子叶愈伤组织的诱导。红光下显著促进大蒜愈伤组织的诱导和增殖,而蓝光对怀山药愈伤组织分化的促进作用最强。黄光最有利于葡萄愈伤组织增殖,其次是绿光。黄光有利于萝卜下胚轴愈伤组织的诱导,而蓝光有利于子叶愈伤组织的诱导,红光有利于愈伤组织的增殖。红光有利于文心兰原球茎愈伤组织的诱导和增殖。剑兰原球茎愈伤组织在红光下增殖率最高。红光下兰花的愈伤组织诱导率最高。蓝光和黄光明显促进白桦愈伤组织的增殖生长。

愈伤组织的生长

愈伤组织生长
不同光质照射下愈伤组织生长曲线均呈“s”形,但不同光质对愈伤组织生长的效应因植物基因型以及基质添加物不同而有所差异。黄光LED促进越南人参愈伤组织生长,红光和蓝光 LED抑制愈伤组织生长,其中红光LED抑制效果最强,而绿光和白光LED对愈伤组织生长无显著影响。不同光质对青花菜愈伤组织增殖的效应表现为白光>红光、蓝光>绿光>黄光,且不同光质下愈伤组织可溶性蛋白含量和含水量与愈伤组织增殖有一定的相关性。红光下萝卜愈伤组织生长量最高,而黄光对愈伤组织生长效应则最低。在不添加肉桂酸时,黄光最利于葡萄叶片愈伤组织的增殖,当肉桂酸与光质共同作用时,绿光最适合愈伤组织的增殖,黄光对愈伤组织的增长效应明显减弱。

愈伤组织的芽分化

愈伤组织芽分化
光质对芽分化起着重要的作用。红光明显促进甘蔗愈伤组织分化出苗。文心兰原球莲在蓝光下分化出不定芽的数量最多。蓝光和红蓝光均抑制莴苣外植体不定芽的分化。在红光照射下大蒜愈伤组织出芽率最高,达到25%,白光次之,蓝光和红蓝混合光对愈伤组织的出芽存在抑制作用,其中,蓝光抑制作用最强,出芽率仅3%。红光促进红掌叶片愈伤组织不定芽的诱导,而蓝光更有利于不定芽的数量增多。蓝光下怀山药愈伤组织芽分化率最高,其次是红光和白光,绿光和黄光较低。玛咖愈伤组织在蓝光下出芽率几乎为零。红蓝光有利于愈伤组织不定芽的分化,蓝光通过隐花色素促进不定芽数量的增加,红光通过光敏色素调节顶端优势从而促进不定芽的生长。

组织培养苗增殖

组织培养苗增值
单色光中红光对组织培养苗增殖具有促进作用。纯红光LED下蝴蝶兰单芽数目比对照荧光灯有显著增加,菊花和烟草的试验也得出类似的结论。而单一蓝光不利于组织培养苗增殖,洋桔梗和甘蔗组织培养苗的研究中发现所有光质处理中单色蓝光处理下组织培养苗增殖系数最低。但蓝光LED可有效促进蝴蝶兰原球茎的形成。
大量实验证明,相比单色光LED,不同LED组合光更利于组织培养苗增殖。LED红蓝组合光比单色光更能促进甘蔗不定芽的增殖,且优于荧光灯及植物生长灯。红蓝光组合处理下高山杜鹃叶片不定芽再生效果均显著好于 100% 红光和蓝光。但是,不同植物或同一物种的不同品 种在组织培养增殖阶段对光质配比的需求不完全一致。高山杜鹃在红蓝光组合(3:1)处理下叶片不定芽再生效果最好,而甘蔗在红蓝光组合(4:1)处理下增殖的不定芽数最多。

组织培养苗生长发育


组织培养苗生长发育
研究证明,LED单色光对组织培养苗的生长效应低于不同LED组合光,红、蓝LED组合光可以增强植物光合作用以促进植物的生长和发育。单独的红光或蓝光LED处理的白掌组织培养苗长势较差,而一定配比的红蓝LED复合光有利于促进植物的生长。红蓝LED组合光下菊花组织 培养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值。蓝光下草莓无糖组培苗的地上部干鲜重最小。朵丽蝶兰在红蓝光下鲜重、干重最高。日本双蝴蝶和草莓在 70%红光+30%蓝光照条件下,组织培养苗长势最好。而在50%红光+50%蓝光处理下红掌组织培养苗各生长指标显著高于对照。红光(R)处理白及组培苗徒长,蓝光(B)处理白及组培苗植株低矮,复色光有利于白及的生长发育、形态建成。红光和蓝光(1:1)最有利于白及组培苗可溶性糖的积累。

组织培养苗生根壮苗

组织培养苗生根壮苗
光质对离体植株根系诱导及生长的效应因波长不同而存在差异,且光质的效应依赖于植物基因型和生根物质浓度。红光促进红掌、蝴蝶兰、帝王花和地被菊等组织培养苗不定根的形成,表现为生根快且多而密,蓝光表现为明显的抑制作用。番木瓜组培苗在蓝光下根长最短;红蓝混 合光对甘薯组培苗根生长的具有一定的促进作用。但是,单色红光照射下组织培养苗根系形态异常,移栽成活率低,而蓝光有利于提高后期根系活力,能够促进干物质积累,降低含水量,防止植株玻璃化现象发生。单色红光照射的菊花根系活力较低,移栽成活率仅为75%,而红蓝光组合下组织培养苗移栽全部成活。添加了远红光的LED组合处理的蝴蝶兰根长和根系活力较对照显著增加。文心兰组培苗在红蓝组合光下根长最长,而荧光灯下的根长最短。
组织培养阶段使用的LED光源会影响组织培养苗室 外移栽后的生长成活情况。室内组织培养阶段使用的红蓝LED组合光源能提高草莓、白掌和菊花的组织培养苗移栽成活率并促进移栽后幼苗的生长。因此,对于难生根的植物组织培养苗,可通过前期红光的预处理,提高生根率及生根数,进而转入一定配比的红光、蓝光与远红光组合下培养,促进根系生长发育和提高根系活力,从而提高组织培养苗移栽适应性。




光质对幼苗的影响

许多室内种植者使用一种生长光专门用于幼苗和植物生长阶段,其中包括母本植物。营养期是幼苗和开花之间植物生长的阶段。这是植物成形、快速增长及积累的阶段,植物发育根,茎和节间距,生长光和光谱在这个阶段的植物发育中起着至关重要的作用。大多数人喜欢植物短而浓密,最佳方法是在植物生长期为植物提供足够的蓝色光谱。光质对植物幼苗的生长、发育及光合都有显著影响。

红光有利于蔬菜幼苗茎的伸长、干物质的积累等,蓝光有利于蛋白的积累,促进抗氧化酶的活性等,组合光比单一光质更有利于蔬菜幼苗的光合和生长。
紫外辐射会减少植 物单株叶面积、抑制下胚轴伸长、降低光合作用和生产力,使植物易受病原体攻击,但能诱导类黄酮合成及防御机制; 还会明显降低大豆的株高、干重和水分含量,对幼苗光合色素的破坏较严重。
蓝光能抑制红豆芽苗菜下胚轴伸长和 烟苗茎的伸长,降低相对生长速率;对植物叶片和根系的生长具有极其重要的作用,能够缩小叶面积、减少生菜幼苗叶片数,有利于促进与花芽分化和成花相关的营养物质的合成。
绿光不是光合作用的高效吸收光谱,但补充绿光可与红蓝光协同增益色素的合成,能显著提高番茄幼苗的株 高和茎粗,促进豌豆芽苗的生长。红橙光有利于茎的生长,并促进植物的开花和叶绿素的形成,缩短生长周期、提高可溶性糖含量和产量。
远红光可以增加植株的干鲜重、茎长、叶长和叶宽;但在许多情况下会抵消红光效应,降低花色素苷、类胡萝卜素和叶绿素的含量。

光质对幼苗生长发育的影响
不同的LED光质对黄瓜、辣椒和番茄等不同品种的幼苗生长影响显著且存在差异,在苗期补充红光或红蓝光可促进幼苗的生长,有利于培育壮苗。补光可以提高番茄和辣椒的类黄酮和总酚的含量,增强抗氧化酶系统cAt和soD的活性,有利于提高植株的抗逆性和对环境的适应能力。通过补光的大棚烟苗,移栽到大田后,生长阶段,生长速率和成熟期农艺性状均优于大棚常规育苗,其中叶片数、茎粗的差异均达到极显著水平; 烤烟的叶片长宽比、单叶重、厚度、比叶重等远远优于对照。
早晨给黄瓜幼苗进行两小时低强度的蓝光和红光补光,发现补光增加了幼苗的鲜重、叶面积和茎粗。利用红光LED进行夜间延时补光能够促进黄瓜幼苗前期生长,红蓝混合光夜间延时补光可促进黄瓜幼苗后期生长,提高壮苗指数。利用LED红蓝光为光源,可有效促进豇豆、苦瓜、生菜和辣椒幼苗的形态建成,并且随着LED红蓝光的增强,幼苗形态指标逐渐提高,叶绿素合成逐渐增加,根系活力逐渐增强。

光质作为光环境的重要特性,直接或间接地影响植物激素的合成和运输。在苗期照射红、蓝光可显著促进蔬菜幼苗的生长,提高壮苗指数。不同波段的光可通过影响植物体内的激素水平来调节植物节间的生长,光敏色素通过影响豇豆幼苗内源GA的水平,进而实现对下胚轴伸长生长的调控。远红光促进番茄和莴苣幼苗的下胚轴显著伸长,幼苗严重徒长。蓝紫光可以提高生长素氧化酶的活性,通过降低植株体内生长素的水平,削弱顶端优势、增强分蘖能力,进而抑制植物节间的伸长。幼苗下胚轴伸长与不同波长的光质有关,白光、蓝光、可以抑制茎的伸长,而绿光则显著促进节间的伸长。外源施用IAA或GA可以在一定程度上恢复由蓝光抑制的生菜幼苗下胚轴徒长,说明蓝光可能通过降低生菜幼苗内源GAs水平来抑制下胚轴的伸长。而不同复合光质处理下植株体内各种激素的水平均有所降低,下胚轴表现出较低的生长速率。在光照处理中当适当增加蓝光比例(R/ B=7:3),使得幼苗植株高度显著下降,壮苗指数显著增加。

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