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發(fā)光二極管( light-emitting diode，LED) ，是種將電能轉(zhuǎn)化為可見光的新型光源。20 世紀(jì)80 年代，LED首次應(yīng)用于植物設(shè)施栽培試驗[1]，此后，逐步應(yīng)用于植物的光形態(tài)建成與光合作用等有關(guān)光對植物機(jī)理影響的試驗[2，3]，在植物生命科學(xué)研究領(lǐng)域越來越受關(guān)注。植物離體培養(yǎng)是指在無菌條件下，將植物器官、組織、細(xì)胞或原生質(zhì)體進(jìn)行離體培養(yǎng)，使其再生細(xì)胞或完整植株的一項技術(shù)[4]，該技術(shù)發(fā)展幾十年來，包括冷陰極熒光燈( CCLF) [5]、無糖組培技術(shù)[6]、開放式組培技術(shù)[7 - 9]等在內(nèi)的許多新技術(shù)得到了應(yīng)用。目前，植物離體培養(yǎng)所廣泛使用的熒光燈、高壓鈉燈等普通人工光源存在一定的局限，而LED 具有這些光源所不具備的優(yōu)良特性，因此人們嘗試用LED 替代這些普通人工光源。通過對馬鈴薯[10]、蝴蝶蘭[11]、油菜[12]等研究表明，LED 可作為植物離體培養(yǎng)的理想光源。此外，國內(nèi)外也有不少學(xué)者對LED 進(jìn)行了優(yōu)化改良，使LED 進(jìn)一步適應(yīng)試管植物的光源特性要求[13 - 15]。隨著光生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED 在不同植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用成為熱點問題，具有較好的應(yīng)用前景。

　　1 LED 應(yīng)用于植物離體培養(yǎng)的優(yōu)勢

　　LED 誕生于20 世紀(jì)60 年代，其核心部位是P - N 結(jié)構(gòu)成的晶片，由P 型半導(dǎo)體形成的P 層和N 型半導(dǎo)體形成的N 層以及中間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。N 區(qū)富集有大量的自由電子，當(dāng)電流通過導(dǎo)線流經(jīng)晶片時，電子由N 層向P 層移動，并在P - N 結(jié)與空穴復(fù)合，能量以輻射可見光的形式釋放。

　　目前，用于植物離體培養(yǎng)的熒光燈、日光燈等普遍存在使用壽命短、易損壞、光質(zhì)不純、易發(fā)熱以及植物吸收率低等不理想效果。而LED 具有耗電量低、體積小、冷光源、單色性好、壽命長等特點[18 - 20]。相比普通人工光源，LED 應(yīng)用于植物離體培養(yǎng)具有諸多優(yōu)勢。( 1) 低能耗。普通光源條件下，植物離體培養(yǎng)所需電費通常占到了全部費用的40% - 50%[21]，而同等光照效果，LED 光源耗電量僅約為普通光源的1 /8、熒光燈的1 /2[22]。如果LED 大量用于植物離體培養(yǎng)，所節(jié)約的能源和成本將不容忽視。( 2) 體積小。LED 體積小，便于常規(guī)修理維護(hù)，同時可直接安裝在培養(yǎng)容器上方，增加了培養(yǎng)室的有效利用空間，可設(shè)置多個培養(yǎng)層，進(jìn)行立體培養(yǎng)，實現(xiàn)植物離體培養(yǎng)的小型集約化生產(chǎn)。( 3) 冷光源特性。LED 幾乎不發(fā)熱，方便培養(yǎng)室的溫度控制，減少制冷費用，進(jìn)一步壓縮成本，而且光源近距離照射植物時，不會造成瓶壁結(jié)露，也可避免植物因溫度過高而灼傷甚至死亡。( 4) 單色性好，光質(zhì)純度高。普通人工光源的輻射光譜范圍較寬，而植物的光效應(yīng)對光源的波長有一定要求，故植物的利用效率往往較低。而LED 光源半波寬在± 20 nm 左右，根據(jù)不同植物需求選擇光源后，LED 光譜吸收波峰與植物需光波長幾乎吻合[23， 24]，生物效能較好。( 5) 不易損壞，壽命長。LED 使用壽命比普通人工光源長得多，且抗震效果好，不易損壞，減少維修更換，節(jié)省成本，減輕廢棄物污染。( 6) 光強(qiáng)和光質(zhì)的可調(diào)性。LED 通過改變導(dǎo)入電流大小，即可直接調(diào)節(jié)光強(qiáng)和光質(zhì)，在植物離體培養(yǎng)中利于進(jìn)行不同光照條件調(diào)控。

　　2 LED 在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用

　　光是影響植物生長的重要環(huán)境因子。植物生長發(fā)育的光學(xué)效應(yīng)與光源的光質(zhì)、光照強(qiáng)度以及光周期等因素有關(guān)。不同光質(zhì)會影響植物器官分化和細(xì)胞的分裂[25]; 不同光照強(qiáng)度通過影響植物光合作用的強(qiáng)弱，作用于植物生長; 而光周期較多影響植物的成花[26]。目前，在研究不同光質(zhì)、光強(qiáng)對試管植物的影響中LED 的應(yīng)用較多，而在研究光周期效應(yīng)時使用較少。2.1 LED 光質(zhì)對植物離體培養(yǎng)的影響研究不同光質(zhì)對植物離體培養(yǎng)的影響所采用的傳統(tǒng)光源往往依據(jù)人眼對光的適應(yīng)性進(jìn)行選擇，這些光不是只含單一波長的單色光，光譜范圍與試管植物的需求通常也不相稱，試管苗吸收率較低，且難以具體確定最符合生物特性的波長[27]，故以往實驗中也常常用濾光片和吸濾光片或單色儀等對光源光譜進(jìn)行窄化，但其操作復(fù)雜，光量低且光譜不能精確定量，容易影響實驗的準(zhǔn)確性和可比性[28]。由于LED 能較好地彌補(bǔ)這些缺點，利用LED 研究不同光質(zhì)對植物離體培養(yǎng)的影響成為一項重要技術(shù)。2.1.1 對試管苗增殖的影響楊長娟等[29]利用LED 組合光源研究不同光質(zhì)對洋桔梗試管苗增殖的影響表明，LED 紅、藍(lán)光2∶ 1 配比，試管苗增殖率最高。邸秀茹等[30]、張歡等[31]對菊花試管苗研究表明，不同光質(zhì)LED 組合形成的復(fù)合光明顯提高試管苗的增殖效果。這些研究結(jié)果都說明了LED 復(fù)色光對試管苗增殖具有促進(jìn)作用，這可能因為不同光質(zhì)影響植物器官分化的方式和程度不同，而相比單色光，復(fù)色光包含不同光質(zhì)成分，彼此之間相互補(bǔ)充，從而提高增殖率。

　　2.1.2 對試管苗生長的影響Lian et al[32]研究表明，LED 紅藍(lán)復(fù)合光對百合試管苗生長最為有利。Nhutet al[33]發(fā)現(xiàn)LED 紅、藍(lán)光7∶ 3 復(fù)合照射時，草莓試管苗生長較好。這些研究結(jié)果與Shin et al[34]在朵麗蝶蘭的光質(zhì)離體試驗中得出的結(jié)果一致?？傮w來說，不同光質(zhì)的LED 組合照射試管苗較使用LED 單色光處理更有利于試管苗的生長，這可能與單色光導(dǎo)致系統(tǒng)可利用的光能分布不平衡有關(guān)。2.1.3 對試管苗植株內(nèi)含物的影響在研究不同光質(zhì)LED 對試管植物植株體內(nèi)物質(zhì)合成的作用時， Jaoet al[35]發(fā)現(xiàn)LED 藍(lán)光下馬蹄蓮試管苗葉綠素的含量增加效果明顯，戴艷嬌等[36]也通過試驗表明LED 單色藍(lán)光有利于蝴蝶蘭試管苗可溶性蛋白質(zhì)、淀粉以及游離氨基酸的合成。而楊紅飛等[37， 38]的觀點卻與前兩者存在明顯不同，通過不同光質(zhì)配比的LED 對洋梗試管苗進(jìn)行培養(yǎng)試驗表明，LED 紅、藍(lán)光1∶ 1 配比有利于其淀粉和可溶性蛋白質(zhì)的合成。這種差異的形成可能與試驗材料不同有關(guān)，另一方面，LED 藍(lán)光對試管植物體內(nèi)各種物質(zhì)的合成有積極的促進(jìn)作用，而對不同內(nèi)含物的具體影響又存在差別。2.1.4 對試管苗光形態(tài)建成的影響魏星等[39]研究表明，單一LED 紅光容易造成菊花試管苗枝葉徒長，而LED 藍(lán)光矮壯效果好。而同樣以菊花作為研究材料，郭威威等[40]研究表明，LED 紅、藍(lán)光9∶ 4 時，有利于非洲菊試管苗矮壯; 紅、藍(lán)光3∶ 1 時，普通菊花試管苗矮壯效果較好。以上表明，不同光質(zhì)LED 對試管苗植株形態(tài)的影響主要表現(xiàn)為紅光LED 促進(jìn)植株的生長和光形態(tài)建成，而藍(lán)光LED 抑制植株的伸長，這與柳金鳳等[41]、Cybularz-urban et al[42]的試驗結(jié)果較為相符。

　　2.1.5 對愈傷組織的影響愈傷組織培養(yǎng)是植物離體培養(yǎng)的重要組成部分，已有不少學(xué)者就不同光質(zhì)對傷組織的作用進(jìn)行了探索[43， 44]，而隨著LED 在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用，有學(xué)者將LED 替代普通光源進(jìn)行愈傷組織試驗。羅麗媛等[45]用不同光質(zhì)LED 處理葡萄愈傷組織表明，紅光LED 對葡萄愈傷組織的生長有促進(jìn)作用，卻抑制白藜蘆醇的合成，而藍(lán)光LED 雖不影響愈傷組織的生長，但提高了白藜蘆醇的含量。而通過對LED 光質(zhì)精量調(diào)制后，在大蒜愈傷組織研究中，馬琳等[46]也發(fā)現(xiàn)紅光LED 促進(jìn)愈傷組織分化，而藍(lán)光LED 會抑制愈傷組織分化。由此可見，光質(zhì)的選擇對愈傷組織生長的影響具有決定性作用。

　　2.2 LED 光強(qiáng)對植物離體培養(yǎng)的影響

　　一般來說，環(huán)境條件適宜時，如果光照強(qiáng)度處于植物的光飽和點以下，植物的光合作用受抑制，相應(yīng)地增加光照強(qiáng)度，植物的光合作用加強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到光飽和點后，繼續(xù)增加光強(qiáng)，植物的生長不發(fā)生顯著變化，反而可能產(chǎn)生不利效果。在植物離體培養(yǎng)中，利用LED 的光強(qiáng)可控性，已有不少人將LED 用于試管植物光強(qiáng)需求特性研究。

　　在不同光照強(qiáng)度對試管植物生長的影響試驗中，楊雅婷等[47]發(fā)現(xiàn)LED 紅藍(lán)復(fù)合光光強(qiáng)為22.50 μmol·m - 2·s - 1時，甘薯試管苗生長最優(yōu)，與其他處理組存在較大差異。閆新房[48]也利用LED 新型光源培養(yǎng)架進(jìn)行了相關(guān)試驗表明，LED 紅藍(lán)光組合光強(qiáng)為70 μmol·m - 2·s - 1 時，最有利于牡丹試管苗生長。而Kurilcik et al[49]研究表明，LED 復(fù)合光光強(qiáng)在45 - 55 μmol·m - 2·s - 1 時，葡萄的生長最佳。比較三者可發(fā)現(xiàn)，植物最佳生長對光強(qiáng)的敏感和適應(yīng)性不同，與物種本身有關(guān)。

　　在同類植物中，Kurilcik et al[50]發(fā)現(xiàn)，LED 復(fù)合光在40 μmol·m - 2·s - 1光強(qiáng)下菊花試管苗生長最好。而張婕等[51]研究表明，LED 光強(qiáng)為60 μmol·m - 2·s - 1時，菊花試管苗狀態(tài)較優(yōu)，各方面生長較一致。

　　光強(qiáng)主要影響試管植物的光合作用，而光合作用的強(qiáng)弱也可通過植株營養(yǎng)器官的變化來間接測定。Nhut et al[52， 53]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的LED 紅藍(lán)光組合，當(dāng)光強(qiáng)為60 μmol·m - 2·s - 1時白鶴芋試管苗的根莖鮮重達(dá)到最大，而光強(qiáng)為60 μmol·m - 2·s - 1時，香蕉試管植株根莖鮮重最大。在探索外界因素影響植物生長的研究中，可單獨調(diào)控光強(qiáng)的LED 的應(yīng)用，對研究不同光照度對離體試管苗光合作用的影響具有重要意義。

　　2.3 LED 光周期對植物離體培養(yǎng)的影響

　　目前有關(guān)試管植物光周期效應(yīng)的探討相對較少。Jao et al[54]利用LED 紅藍(lán)光( 光周期白天16 h /夜間8 h) 交替照射馬鈴薯試管苗表明，兩種處理對馬鈴薯試管苗的影響不同，LED 紅藍(lán)光同時照射的馬鈴薯試管苗干重明顯高于交替處理的試管苗。由此也證實了具有不同光譜的光共存是試管植物最佳生長的必要條件。

　　3 問題與展望

　　3.1 存在的問題

　　目前LED 在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用仍存在一些問題。首先，由于價格昂貴，LED 無法得到充分的推廣。LED 的核心元件———芯片的費用在總成本中占有較大的比重，而我國高端的LED 芯片多來自于國外，造成LED 價格居高不下。高成本限制了LED 在植物離體培養(yǎng)工廠化生產(chǎn)中的應(yīng)用，但在科研方面LED 仍是重要的應(yīng)用工具[55]。再者，LED 本身存在的缺陷也在一定程度上限制了其在植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用。LED 對自身P - N 結(jié)的散熱能力有著嚴(yán)格的要求。LED 為冷光源，芯片的耐熱程度有限，但工作過程中仍有一小部分電能形成了熱輻射，若這些熱能集中在較小區(qū)域，則芯片老化加快，將加劇光衰[56， 57]，使用壽命大打折扣。此外，LED 光源存在光質(zhì)的穩(wěn)定性以及色度、亮度的均勻性等問題[58]，仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

　　3.2 前景展望

　　隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展，LED 生產(chǎn)工藝水平和結(jié)構(gòu)材料必然得到不斷提高和更新，從而降低其生產(chǎn)成本并進(jìn)一步優(yōu)化性能，同時克服存在的缺陷，使LED 更加適應(yīng)植物離體培養(yǎng)的光源需求。

　　在研究光質(zhì)和光強(qiáng)對植物離體培養(yǎng)的影響時，LED 具有單色性，很可能淘汰光柵或單色儀，通過精確定量調(diào)配，從而獲得高純度的光源，提高光生物學(xué)實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

　　LED 體積小，耗電量低，有利于其在常規(guī)植物離體培養(yǎng)中的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，將LED 應(yīng)用于常規(guī)植物離體培養(yǎng)的報道較少，而普遍使用的光源設(shè)備存在較多不足，用更高效的LED 替換這些普通光源設(shè)備更為迫切。使用LED 光源的新型培養(yǎng)室，可將發(fā)光元件直接安裝在培養(yǎng)容器上方，利用余下的空間設(shè)置更多的培養(yǎng)層。隨著LED 光源穩(wěn)定性和均勻性問題的克服，不同培養(yǎng)位置上的植物接受的光照也將一致。利用LED 構(gòu)建的新型培養(yǎng)室可實現(xiàn)擴(kuò)大利用空間，增加培養(yǎng)數(shù)量，減少電費成本，促進(jìn)植物長勢一致，提高植物生長速度，節(jié)能環(huán)保等多重效益。LED 光照單獨可控性也將在常規(guī)植物離體培養(yǎng)中得到較好的應(yīng)用。不同植物種類、同種植物不同生長階段的需光特性以及對試管苗的單一形狀進(jìn)行改變時所需要的適宜光源不同，例如試管苗誘導(dǎo)培養(yǎng)和壯苗生根培養(yǎng)后期，選擇的最佳人工光源并不一致，常規(guī)培養(yǎng)室中使用的都為統(tǒng)一光源，并不能為植物的生長適時提供最優(yōu)的光照條件，而這種需求在LED 新型培養(yǎng)室中將成為可能。LED 通過控制電流的大小即可對輻射光進(jìn)行調(diào)控，因此可以在不同的試管苗培養(yǎng)區(qū)、不同處理區(qū)、試管植物不同的生長階段使LED發(fā)出不同的光，使光照具有更強(qiáng)的針對性，提高植物離體培養(yǎng)的效果和實驗的準(zhǔn)確性。植物離體培養(yǎng)受多種環(huán)境因素影響，因此，必須同時改善植物其他的生長條件，將LED 的應(yīng)用與培養(yǎng)室CO2 /O2

　　濃度比控制、濕度設(shè)置、培養(yǎng)基營養(yǎng)成分以及激素水平的調(diào)整相結(jié)合，以滿足試管植物的需求，提高LED 的使用效果。隨著現(xiàn)代離體培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)一步系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，LED 可以與CCLF、無糖組培技術(shù)、開放式組培技術(shù)等新科技結(jié)合使用，通過多元調(diào)整，使植物離體培養(yǎng)進(jìn)一步發(fā)展?？傊S著LED產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，以及植物離體培養(yǎng)技術(shù)的提高，LED 大規(guī)模應(yīng)用于植物離體培養(yǎng)將成為一種趨勢