光是植物生长发育的基本因素之一。光质对植物的生长、形态建成、光合作用、物质代谢以及基因表达均有调控作用。通过光质调节,控制植株形态建成和生长发育是设施栽培领域的一项重要技术。

作为第四代新型照明光源, LED具有节能环保、安全可靠、使用寿命长、响应时间短、体积小、重量轻、发热量少、易于分散或组合控制等许多不同于其他电光源的重要特点。传统植物设施栽培中使用的光源一般是荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯。这些光源是依据人眼对光的适应性所选择的,其光谱有很多不必要的波长,对植物生长的促进作用少。而随着光电技术革新和生产成本下降, LED因具备以下性能成为植物设施栽培领域的重要光源:光谱性能好,可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱,其波谱宽度小于±30 nm,波长正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合;光能有效利用率可达80%~90%,并能对不同光质和发光强度实现单独控制;作为冷光源,可以近距离地照射植物,大大提高空间的利用效率,可用于多层栽培立体组合系统,实现了低热负荷和生产空间小型化;此外, LED耐冲击,不易破碎,不含汞,无污染,废弃物可回收利用,使用寿命是普通光源的数十倍,特强的耐用性也降低了运行成本。由于这些显著的特征, LED十分适合应用于可控设施环境中的植物栽培,如植物组织培养、设施园艺和闭锁式植物工厂以及航天生态生保系统等。

LED应用于植物组织培养的研究

在植物组织培养中,光合光量子通量密度(PPFD:Photosynthetic Photon Flux Density) 、光照周期和光谱分布对植物的光合作用和形态建成起重要作用。植物组培主要依靠电光源,传统电光源对植物的生物能效极低、发热量大,光照用电约占整个电费成本的65%,是植物组织培养中高的非人力成本之一。因此在植物组织培养中采用LED提供照明,调控光质和PPFD,不仅能够调控组培植物的生长发育和形态建成、缩短培养周期、提高品质,而且能够大大减少能耗,降低成本

红光与蓝光LED组合对组培植物生长的影响

迄今为止,有不少报道认为,红蓝LED组合对组培植物的生长发育产生积极影响,优于单色光处理。如Hahn等研究发现,经单一红光LED或蓝光LED处理的毛地黄组培苗出现徒长现象,但是在红蓝LED复合光下生长健壮。还有研究发现,一种双蝴蝶属组培植物在红光LED下生根更好,在蓝光LED下生根差;而在红蓝LED复合光照下,植物的根数、鲜重和叶绿素含量综合指标明显好于单色LED和荧光灯处理^[。

有研究认为红、蓝光LED组合可以通过增加净光合速率以提高植物的生长和发育是因为红光与蓝光的光谱能量分布与叶绿素吸收光谱一致。Kim等研究发现在红、蓝LED复合光照射下的菊花组培苗净光合速率高,鲜质量、干质量和叶面积达到大,气孔的数目少,气孔开度大。Tanaka等报道指出在红、蓝LED复合光照射的兰花组培苗的鲜重和干重增加^[。Lian等对百合离体培养鳞茎进行实验得出,红、蓝LED复合光更适合鳞茎的生长,鳞茎的尺寸、鲜、干质量和根的数量高。

但是有关红蓝LED组合的配比,不同组培植物作为试验材料所开展研究的报道结果并不一致。如Nhut等采用80%红光LED+20%蓝光LED组合对其对香蕉组培苗生长和驯化移栽有明显促进效果。而一项对于桉树组培苗的研究发现,同样的红蓝LED配比,并配合透气膜和岩棉基质能够实现其无糖培养。Nhut等后又研究发现在70%红光LED+30%蓝光LED照射下,草莓组培苗的叶片数、根数、根长、鲜重、干质量值大,移栽到土壤中长势也更好。随后对白鹤芋组培苗的研究也得到了相似的结果。由此可见,不同的植物对光质配比的敏感性不同,表现出不同的适应性。

在对马铃薯组培苗的鲜/干质量积累量指标的研究结果中发现,协同光照控制优于交替间歇光照控制, 45%红光LED+55%蓝光LED的处理对于马铃薯组培苗的生长效应是更好的。此外,有研究发现在25%红光+75%蓝光LED组合下,从兰花原球茎小块中诱导的愈伤组织中能够获得高发生率的原球茎体。

LED应用于航天生态生保系统的研究

目前上普遍认为,建立受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System, CELSS)是解决长期载人航天生命保障问题的根本途径。而要建立好该系统,关键技术之一就是必须解决好其中的高等植物栽培技术,在空间进行高等植物栽培涉及到的关键问题之一就是光照技术。

基于空间环境的特殊要求,空间高等植物栽培中使用的光源必须具有发光效率高、输出的光波适合于植物光合作用和形态建成、体积小、重量轻、寿命长、高安全可靠性记录和无环境污染等特点。因此,近年来发光二极管在空间植物栽培中的应用倍受重视。研究发现氙气金卤灯和LED两种照明系统都能提供CELSS要求的光谱能量分布和均匀的照明,但是采用LED的照明系统的电能转换效率超过采用氙气金卤灯系统的5倍。

郭双生等研究发现,太空植株正常生长可采用红色和蓝色LED的一定组合,以90%红色+10%蓝色LED管更为适宜。Kim等研究发现, 24%绿光+蓝光+红光(RGB)处理促进了生菜的生长,与冷白荧光灯处理组相比, RGB处理组的生菜光合产量显著提高