光是植物生長(cháng)發(fā)育的基本因素之一。光質(zhì)對植物的生長(cháng)、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達均有調控作用。通過(guò)光質(zhì)調節, 控制植株形態(tài)建成和生長(cháng)發(fā)育是設施栽培領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。

作為第四代新型照明光源, LED具有節能環(huán)保、安全可靠、使用壽命長(cháng)、響應時(shí)間短、體積小、重量輕、發(fā)熱量少、易于分散或組合控制等許多不同于其他電光源的重要特點(diǎn)。傳統植物設施栽培中使用的光源一般是熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和白熾燈。這些光源是依據人眼對光的適應性所選擇的, 其光譜有很多不必要的波長(cháng), 對植物生長(cháng)的促進(jìn)作用少。而隨著(zhù)光電技術(shù)革新和生產(chǎn)成本下降, LED因具備以下性能成為植物設施栽培領(lǐng)域的重要光源:光譜性能好, 可按照需要組合獲得純正單色光與復合光譜, 其波譜寬度小于±30 nm, 波長(cháng)正好與植物光合成和光形態(tài)建成的光譜范圍吻合;光能有效利用率可達80%~90%, 并能對不同光質(zhì)和發(fā)光強度實(shí)現單獨控制;作為冷光源, 可以近距離地照射植物, 大大提高空間的利用效率, 可用于多層栽培立體組合系統, 實(shí)現了低熱負荷和生產(chǎn)空間小型化;此外, LED耐沖擊, 不易破碎, 不含汞, 無(wú)污染, 廢棄物可回收利用, 使用壽命是普通光源的數十倍, 特強的耐用性也降低了運行成本。由于這些顯著(zhù)的特征, LED十分適合應用于可控設施環(huán)境中的植物栽培, 如植物組織培養、設施園藝和閉鎖式植物工廠(chǎng)以及航天生態(tài)生保系統等。

LED應用于植物組織培養的研究

在植物組織培養中, 光合光量子通量密度 (PPFD:Photosynthetic Photon Flux Density) 、光照周期和光譜分布對植物的光合作用和形態(tài)建成起重要作用。植物組培主要依靠電光源, 傳統電光源對植物的生物能效極低、發(fā)熱量大, 光照用電約占整個(gè)電費成本的65%, 是植物組織培養中高的非人力成本之一。因此在植物組織培養中采用LED提供照明, 調控光質(zhì)和PPFD, 不僅能夠調控組培植物的生長(cháng)發(fā)育和形態(tài)建成、縮短培養周期、提高品質(zhì), 而且能夠大大減少能耗, 降低成本

紅光與藍光LED組合對組培植物生長(cháng)的影響

迄今為止, 有不少報道認為, 紅藍LED組合對組培植物的生長(cháng)發(fā)育產(chǎn)生積極影響, 優(yōu)于單色光處理。如Hahn等研究發(fā)現, 經(jīng)單一紅光LED或藍光LED處理的毛地黃組培苗出現徒長(cháng)現象, 但是在紅藍LED復合光下生長(cháng)健壯。還有研究發(fā)現, 一種雙蝴蝶屬組培植物在紅光LED下生根更好, 在藍光LED下生根差;而在紅藍LED復合光照下, 植物的根數、鮮重和葉綠素含量綜合指標明顯好于單色LED和熒光燈處理^[。

有研究認為紅、藍光LED組合可以通過(guò)增加凈光合速率以提高植物的生長(cháng)和發(fā)育是因為紅光與藍光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜一致。Kim等研究發(fā)現在紅、藍LED復合光照射下的菊花組培苗凈光合速率高, 鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和葉面積達到大, 氣孔的數目少, 氣孔開(kāi)度大。Tanaka等報道指出在紅、藍LED復合光照射的蘭花組培苗的鮮重和干重增加^[。Lian等對百合離體培養鱗莖進(jìn)行實(shí)驗得出, 紅、藍LED復合光更適合鱗莖的生長(cháng), 鱗莖的尺寸、鮮、干質(zhì)量和根的數量高。

但是有關(guān)紅藍LED組合的配比, 不同組培植物作為試驗材料所開(kāi)展研究的報道結果并不一致。如Nhut等采用80%紅光LED+20%藍光LED組合對其對香蕉組培苗生長(cháng)和馴化移栽有明顯促進(jìn)效果。而一項對于桉樹(shù)組培苗的研究發(fā)現, 同樣的紅藍LED配比, 并配合透氣膜和巖棉基質(zhì)能夠實(shí)現其無(wú)糖培養。Nhut等后又研究發(fā)現在70%紅光LED+30%藍光LED照射下, 草莓組培苗的葉片數、根數、根長(cháng)、鮮重、干質(zhì)量值大, 移栽到土壤中長(cháng)勢也更好。隨后對白鶴芋組培苗的研究也得到了相似的結果。由此可見(jiàn), 不同的植物對光質(zhì)配比的敏感性不同, 表現出不同的適應性。

在對馬鈴薯組培苗的鮮/干質(zhì)量積累量指標的研究結果中發(fā)現, 協(xié)同光照控制優(yōu)于交替間歇光照控制, 45%紅光LED+55%藍光LED的處理對于馬鈴薯組培苗的生長(cháng)效應是更好的。此外, 有研究發(fā)現在25%紅光+75%藍光LED組合下, 從蘭花原球莖小塊中誘導的愈傷組織中能夠獲得高發(fā)生率的原球莖體。

LED應用于航天生態(tài)生保系統的研究

目前上普遍認為, 建立受控生態(tài)生保系統 (Controlled Ecological Life Support System, CELSS) 是解決長(cháng)期載人航天生命保障問(wèn)題的根本途徑。而要建立好該系統, 關(guān)鍵技術(shù)之一就是必須解決好其中的高等植物栽培技術(shù), 在空間進(jìn)行高等植物栽培涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是光照技術(shù)。

基于空間環(huán)境的特殊要求, 空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發(fā)光效率高、輸出的光波適合于植物光合作用和形態(tài)建成、體積小、重量輕、壽命長(cháng)、高安全可靠性記錄和無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)。因此, 近年來(lái)發(fā)光二極管在空間植物栽培中的應用倍受重視。研究發(fā)現氙氣金鹵燈和LED兩種照明系統都能提供CELSS要求的光譜能量分布和均勻的照明, 但是采用LED的照明系統的電能轉換效率超過(guò)采用氙氣金鹵燈系統的5倍。

郭雙生等研究發(fā)現, 太空植株正常生長(cháng)可采用紅色和藍色LED的一定組合, 以90%紅色+10%藍色LED管更為適宜。Kim等研究發(fā)現, 24%綠光+藍光+紅光 (RGB) 處理促進(jìn)了生菜的生長(cháng), 與冷白熒光燈處理組相比, RGB處理組的生菜光合產(chǎn)量顯著(zhù)提高