LED在设施园艺中的应用系列（三）——LED在植物组培的应用1（改）.doc

LED在设施园艺中的应用系列（三）
LED在植物组培中的应用
■ 杨雅婷，杨其长
（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部农业环境与气候变化重点开放试验室 100081）

植物组织培养（Plant Tissue Culture）是指在无菌条件下，将外植体（植物器官、组织、花药、花粉、体细胞甚至原生质体）接种到人工配制的培养基上培育成支柱植株的技术[1]，是一项可以通过规模化生产，在短时间内获得大量同品质种苗的快速繁育技术，。（可以利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，）组培育苗由于繁育速度快，不受外界气候、地势、地域和时间等条件的约束，目前已经成为植物遗传育种、种质资源保护和脱毒快繁的重要手段。但由于传统组培所采用的人工光源多为荧光灯，有两个明显的缺点存在两个明显的缺。一是光效低，荧光灯中的绿光、红外和远红外光的比例较大，植物不能利用，造成了电能的浪费和电能利用率的降低；二是发热量大，有相当多的能量以热效应方式传递到环境中，使环境温度上升，增加了空调的耗电量，；同时，由于灯具表面的温度较高，也难以近距离照射植物，降低了植物组织培养的空间利用率，灯具同时散热还引起的培养器皿结露等一系列问题，还会对组培育苗本身造成不良影响。常规组培的能耗成本已经占其运行费用的40-50%，电耗成本高已经成为植物组培研究以及生产的突出问题能耗成本高已经成为植物组培的突出问题，能耗成本约占其运行费用的40-50%。因此，研究降低运行成本、减少能耗已成为植物组培领域研究的重要方向[2]。
LED（light-emitting diode）即发光二极管，由于其出色的节能、环保、稳定性能已经在照明领域得到了广泛的应用。（关于LED光源的优势及其工作原理请参见《温室园艺》2009年第5期P13《LED在密闭式植物苗工厂中的应用》一文）。LED激发单色发光光谱，输出光谱的半波宽为±20nm左右，可以按照不同植物的需要将它们加以组合利用，。选用的LED光谱吸收波峰同时可以完全与植物光合需求对相光谱的吸收波峰相符吻合，没有无避免了其它发热光谱用光线的混入，光效高。其次，耗能少，。据统计，LED能耗远小于荧光灯，在照明领域，LED的耗电量仅为白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一。；再其次，LED为冷光源，可以接近植物表面照射，而不会出现叶片灼伤、瓶壁结露的现象，因此可以使组培层架距离缩短，极大地提高了组培室空间利用率。此外，LED芯片体积小，可以自由地设计光源的形状，能为组培新型光源的开发提供新思路。
1组培用LED光源的参数选择和系统设计
综合考虑组培植物生长的特点，开发了LED灯管和LED柔性灯带两种植物组培专用光源及其相应的控制器系统，均采用660 nm红色LED和450 nm蓝色LED 均匀交叉分布组成。
LED灯管内置电源和镇流器，可直接安装于目前常用组培光源荧光灯的灯座或者灯架上，内部采用铝板作为散热设备，外部尺寸为Φ30*1200mm.为了避免组培室内的湿空气对LED芯片和灯管内部器件的影响，LED灯管还设计有防潮层（图1）。 光环境参数采用分层定时控制的方式，每个控制器（图2）可控制该层光源的光强、光质（R/B）、光周期和闪烁频率，其中红蓝光的光强可以分别控制。除此以外，无需其它任何设备和，组培架改装后即可直接使用。

图1 装备有LED灯管的组培架 图2 LED灯管控制器面板

图3 LED柔性灯带 图4 LED灯管光强实验试验效果
LED柔性灯带是一种对组培植物进行侧面补光的优良光源（图3）。其采用特殊的封装方式，供电线路均嵌入白色柔性树脂中，可以穿插在组培瓶之间，起到侧面补光的作用。LED灯带长度可根据需要制作，仅需在组培架侧面加装承力支架即可，承力≤246g/条。采用专用控制器可对LED柔性灯带的开关时间和光环境参数进行自动控制。
2 LED 灯管和柔性灯带在植物组培的应用实验
2.1 LED灯管光强实验
LED灯管光强实验于2008年7月-9月在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所组培实验室内进行，选用甘薯（徐薯2号）组培苗在LED光环境下进行实验（图4）。光源选用上述LED灯管，同时与目前组培常用三基色荧光灯进行对照。根据光强的不同，设置5个光强光质处理区(如表1)和1个荧光灯对照区。各光强测点高度以组培架层面为基准向上8cm，测点距离LED灯管和荧光灯管分别为8cm和16cm。
均匀性λ（≤1）用以下公式计算得出：

其中，s为各个光强测点的标准差

表1 各处理区光源物理特性
处理
平均光强（μmol·m-2·s-1）
均匀性
灯下5cm温度（℃）
LED1
12.49
0.55
23.8
LED2
14.15
0.56
22.9
LED3
18.85
0.51
22.9
LED4
19.66
0.67
23.1
LED5
22.50
0.68
23.6
CK
46.82

26.5
通过对灯管下垂直温度的测量，发现在灯下5cm处，荧光灯照射区域空气的温度要高于LED处理区3℃以上。这部分热量会对空气造成升温，一方面导致组培瓶内明显的结露现象，当组培苗叶片紧贴瓶壁时，水珠会造成叶片的玻璃化现象，叶片发脆，出苗时会自动落下，造成大量严重影响组培苗损失品质；另一方面，这部分热量必须由空调制冷带走，相应会造成许多的增加一定量的制冷电量费用。
表2 培育28d后不同处理植株株高和干鲜重比较
处理
株高(mm)
地上鲜重(g)
地下鲜重(g)
地上干重(g)
地下干重(g)
LED1
25.08±1.29B
1.69±0.46B
0.65±0.19B
0.16±0.04AB
0.06±0.012B
LED2
26.00±1.21AB
1.68±0.18B
0.66±0.18B
0.13±0.02B
0.04±0.012BC
LED3
26.88±2.89AB
1.97±0.35AB
0.71±0.25AB
0.15±0.02B
0.05±0.014B
LED4
24.36±1.054B
1.78±0.47B
0.70±028AB
0.14±0.04B
0.05±0.016B
LED5
31.44±2.678A
247±0.26A
0.89±0.12A
0.18±0.02AB
0.09±0.009A
CK
30.94±3.211A
2.42±0.30A
0.79±0.29AB
0.23±0.04A
0.06±0.015B

生根培养处理28天之后， LED5的株高、地上鲜重、地下鲜重和地下干重均大于对照处理，只有地上干重小于对照处理，可能是因为LED单色光对地上干物质的积累没有积极作用影响不够，这部分的机理仍需要进一步研究。但是LED5的地下干、鲜重均明显大于对照处理，说明LED红蓝混合光具有一定的促进根部生长的作用。
由图5可见，LED3、LED4、LED5的叶片叶绿素a均与对照处理CK没有显示出显著性差异，其中LED3和LED5表现出了良好的指标。叶绿素b含量以LED3和LED5为最优，但均未显示出差异。类胡萝卜素含量则随着光强的增大呈抛物线分布，说明类胡萝卜素含量受到光质的影响更大。从三种光合色素含量的分析中可以看到，光合色素含量并没有随着光强的增大而呈现明显的上升趋势，而是分别呈现不同的变化趋势，说明光合色素含量还与光质有关。
在电能消耗方面发现，在该LED光强实验中， 每株利用LED灯管生产的甘薯组培苗单株平均耗电量为0.0144~0.0202kW·h，而在普通荧光灯下培育的甘薯组培苗为0.0426~0.0556 kW·h。也就是说，在培育出没有显著差异的甘薯组培苗的基础上，LED灯管的耗电量仅为荧光灯的25.89%~47.42%。

图5 不同处理叶片中叶绿素含量比较
注: 图中不同大写字母代表处理间的差异通过0.05水平的显著性检验
2.2 LED柔性灯带补光实验
在应用LED柔性灯带对甘薯组培苗进行侧面补光的实验中，设置了两个实验区域（见表2）
表2 LED柔性灯带补光实验设计

光源设置
灯带数量
荧光灯数量
处理1
LED灯带补光处理
5
0
处理2
荧光灯处理
1
2

图6 LED灯带补光与对照组处理的甘薯组培苗
在对甘薯组培苗生长情况的测量中发现，处理1的株高、根数、地上干鲜重、地下干鲜重均大于处理2，并且表现出显著性差异（图6）。如根数，对照组根数为13.7±2.7 ，远低于处理的23.67±5.67，这和LED灯管实验中发现LED促进根部生长的结论是相吻合的。
3 结论
（1） LED光强对甘薯组培苗的生长情况有明显的影响，株高和各部分干鲜重均随着光强的增大而的提高，说明实验中使用的光强还没有达到光饱和点。在LED处理中，以LED5表现最好，除了地上干重小于对照组外，其他指标均大于对照组，其中地下干重还表现出了显著性差异。
（2） LED光强对甘薯光合色素含量有影响，随着光强的增大，叶绿素a呈不规则的上升趋势，叶绿素b变化不大，而类胡萝卜素呈抛物线分布。说明光合色素的含量还受到光质的影响。LED3和LED5的光和合色素与对照组均没有对照组显示出差异。？？
（3） 利用LED灯管进行甘薯组培苗的生产时，每株甘薯组培苗所需的LED灯管耗电量仅为荧光灯耗电量的25.89%~47.42%。
（4） LED柔性灯带在用于与一根荧光灯管联合使用进行条件下的侧面补光时，能明显地促进植物的生长，尤其能显著地促进根部生长。