吳　冰，徐　永

(福建農(nóng)林大學(xué)光電子農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心　350002)

?

不同LED光照處理對(duì)擬南芥種子萌發(fā)的影響

吳冰，徐永

(福建農(nóng)林大學(xué)光電子農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心350002)

通過調(diào)節(jié)不同的紅光(λ=660 nm)、綠光(λ=525 nm)、藍(lán)光(λ=445 nm)比值而設(shè)定一系列不同的光譜結(jié)構(gòu)對(duì)擬南芥種子進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果表明：紅光可顯著提高種子發(fā)芽率、促進(jìn)胚根及胚軸的生長(zhǎng)；藍(lán)光則完全相反，顯著降低種子發(fā)芽率、抑制胚根及胚軸的生長(zhǎng)；綠光與紅光混合輻射可減弱紅光對(duì)種子發(fā)芽、胚根及胚軸生長(zhǎng)的促進(jìn)作用；當(dāng)綠光與藍(lán)光混合輻射時(shí)可顯著減弱藍(lán)光對(duì)種子發(fā)芽及胚根生長(zhǎng)的抑制作用，對(duì)胚軸的生長(zhǎng)則沒有顯著影響。建議在擬南芥種子萌發(fā)過程中使用紅、綠兩種光質(zhì)混合輻射種子。

擬南芥；種子萌發(fā)；LED光源；光譜結(jié)構(gòu)

擬南芥屬于十字花科擬南芥屬植物，具有顯花植物的全部特征。因其植株小、生育期短、種子量大、自交親和以及基因組小[1]，成為現(xiàn)在生物學(xué)研究的模式植物。但其種子非常小、幼苗極其弱，培育有一定的困難。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，光是控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子，能夠從種子萌發(fā)、形態(tài)建成、開花到孕育種子等各個(gè)生長(zhǎng)階段調(diào)控其生長(zhǎng)發(fā)育。Whitelam等[2]發(fā)現(xiàn)，在黑暗條件下擬南芥種子萌發(fā)后的幼苗尖端的生長(zhǎng)明顯受到抑制，且子葉仍然保持閉合狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)移到光照條件下，幼苗尖端的生長(zhǎng)重新激活并長(zhǎng)出真葉。Borthwich 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，紅光可以促進(jìn)生菜種子的萌發(fā)，而遠(yuǎn)紅光則起相反作用。Folta等[4]則認(rèn)為綠光對(duì)植物生長(zhǎng)而言不是停止其生長(zhǎng)就是抑制其生長(zhǎng)。李曉陽(yáng)等[5-6]先后研究了He-Ne激光處理以及UV-B輻射對(duì)擬南芥種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)短時(shí)間的He-Ne激光輻射以及低劑量的UV-B輻射均可提高擬南芥種子發(fā)芽率以及促進(jìn)其根生長(zhǎng)。本研究設(shè)置不同光環(huán)境照射擬南芥種子，探尋可提高種子發(fā)芽率、使幼苗健壯的光譜結(jié)構(gòu)，為擬南芥種子萌發(fā)及幼苗栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1植物材料

哥倫比亞野生型擬南芥。

1.2光環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)葉綠素a、葉綠素b的吸收光譜，定制分別位于紅藍(lán)光波段葉綠素a、葉綠素b吸收峰值附近的波長(zhǎng)為660 nm的紅光LED光源(R)、波長(zhǎng)為445 nm的藍(lán)光LED光源(B)，以及波長(zhǎng)為525 nm的綠光LED光源(G)。將這3種光源芯片集成到同一LED燈珠中制成培養(yǎng)箱(圖1)，光照強(qiáng)度、光譜結(jié)構(gòu)、光照時(shí)間均可分別、單獨(dú)、任意調(diào)節(jié)。制作完成后進(jìn)行光均勻度測(cè)試(圖2)，與購(gòu)買的培養(yǎng)箱相比，其光均勻性非常高，適合用于植物培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)。并以色溫為6212 K的白色熒光燈作為對(duì)照組，各組光環(huán)境設(shè)置如表1所示。

1.3光照處理

先將擬南芥種子放在4℃冰箱、黑暗條件下進(jìn)行春化處理3 d。取21只直徑為100 mm的培養(yǎng)皿，在每個(gè)培養(yǎng)皿中平鋪約1 cm厚的蛭石，再覆蓋2層濾紙后，用1 mm播種槍播40粒經(jīng)春化處理后的擬南芥種子。分成7組(處理)，每組3個(gè)重復(fù)，放入已設(shè)定特定光譜結(jié)構(gòu)(表1)的培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，光照16 h、溫度(22±2)℃、濕度(80±5)%、光照強(qiáng)度80 μmol/(m2·s)，7 d后計(jì)算發(fā)芽率。

注：R-紅光光源，波長(zhǎng)660 nm；G-綠光光源，波長(zhǎng)525 nm；B-藍(lán)光光源，波長(zhǎng)445 nm。

2　結(jié)果與分析

2.1不同光照結(jié)構(gòu)對(duì)種子發(fā)芽率的影響

由表2可知，第1組(R=100%)種子(純紅光)的發(fā)芽率最高，為98.61%，較對(duì)照組增加2.60%，差異達(dá)顯著水平。第6組(B=100%)種子(純藍(lán)光)的發(fā)芽率最低，為88.61%，較對(duì)照組下降7.80%，差異達(dá)顯著水平。第2組(R=80%,G=20%)較第1組(R=100%)發(fā)芽率降低1.41%，差異不顯著；較對(duì)照組上升1.15%，差異也不顯著。第5組(G=20%,B=80%)較第6組(B=100%)發(fā)芽率升高8.15%，差異達(dá)顯著水平；較對(duì)照組下降0.29%，差異不顯著。說明紅光可顯著促進(jìn)種子萌發(fā)，藍(lán)光則表現(xiàn)顯著抑制作用；當(dāng)綠光與紅光混合時(shí)則可減弱紅光的促進(jìn)作用，但仍促進(jìn)種子萌發(fā)；綠光與藍(lán)光混合可顯著減弱藍(lán)光的抑制作用，但仍可抑制種子萌發(fā)。

表2　不同光譜處理下種子的發(fā)芽率 (單位：%)

2.2 不同光譜結(jié)構(gòu)對(duì)擬南芥胚根及胚軸的影響

根系作為植物的一個(gè)重要的營(yíng)養(yǎng)器官，吸收植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)成分及水分。胚根的長(zhǎng)度則是評(píng)價(jià)種子萌發(fā)后生長(zhǎng)發(fā)育狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，根系的發(fā)達(dá)程度直接影響幼苗移栽的存活率。不同光譜結(jié)構(gòu)輻射處理對(duì)擬南芥胚根及胚軸長(zhǎng)度的影響結(jié)果分別見圖3和圖4。

從圖3可知，第1、2組擬南芥胚根長(zhǎng)均顯著高于對(duì)照組，分別增加61.85%和37.04%，差異達(dá)顯著水平；第3、4、5、6組的胚根長(zhǎng)均顯著低于對(duì)照組，分別下降35.80%、43.21%、50.25%、58.89%。純紅光輻射處理的擬南芥胚根最長(zhǎng)，純藍(lán)光輻射處理的最短。說明紅光可顯著促進(jìn)胚根生長(zhǎng)，而藍(lán)光則顯著抑制其生長(zhǎng)。且第2組擬南芥胚根長(zhǎng)較第1組顯著降低15.33%，第5組較第6組增加21.02%，即相比純紅光處理，在紅光中混合部分綠光輻射后擬南芥胚根長(zhǎng)下降；而相比純藍(lán)光處理，藍(lán)光中混合部分綠光輻射后其胚根長(zhǎng)顯著增加。說明綠光對(duì)擬南芥胚根生長(zhǎng)的影響主要取決于同紅光或藍(lán)光混合，當(dāng)綠光與紅光混合輻射時(shí)，綠光可減弱紅光對(duì)胚根生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，但較對(duì)照組仍有顯著促進(jìn)胚根生長(zhǎng)的效果；當(dāng)綠光與藍(lán)光混合輻射時(shí)，綠光可減弱藍(lán)光對(duì)胚根生長(zhǎng)的抑制作用，但較對(duì)照組仍有顯著抑制胚根生長(zhǎng)的效果。

從圖4可知，第1組和第2組擬南芥胚軸長(zhǎng)均高于對(duì)照組，分別增加239.26%、96.32%，差異均達(dá)顯著水平；第4、5和6組的胚軸長(zhǎng)均低于對(duì)照組，分別下降28.22%、36.81%、34.36%，差異均達(dá)顯著水平。即純紅光輻射處理的擬南芥胚軸最長(zhǎng)，而純藍(lán)光輻射處理的最短。說明紅光可顯著促進(jìn)擬南芥胚軸生長(zhǎng)，而藍(lán)光則顯著抑制其生長(zhǎng)。且第2組擬南芥胚軸長(zhǎng)較第1組顯著下降(42.13%)，而第5、6組胚軸長(zhǎng)無(wú)顯著差異。說明綠光在同紅光混合輻射時(shí)會(huì)減弱紅光對(duì)胚軸生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，但較對(duì)照組仍有顯著促進(jìn)胚軸生長(zhǎng)的效果；綠光與藍(lán)光混合輻射對(duì)于藍(lán)光對(duì)胚軸生長(zhǎng)的抑制作用沒有明顯影響。

3　討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，紅光不僅可以提高擬南芥種子發(fā)芽率，同時(shí)還可顯著促進(jìn)其胚根及胚軸的生長(zhǎng)，但是幼苗過于瘦弱，移栽時(shí)不易成活；藍(lán)光則相反，不僅顯著抑制擬南芥種子的發(fā)芽，還顯著抑制胚根及胚軸的生長(zhǎng)，幼苗雖然較純紅光輻射的健壯，但是由于根系太短，移栽后也不易成活；而綠光對(duì)擬南芥種子萌發(fā)的影響主要取決于其與紅光或藍(lán)光混合，當(dāng)綠光與紅光混合輻射時(shí)可減弱紅光對(duì)種子發(fā)芽的促進(jìn)作用，但是效果并不顯著，卻可顯著減弱紅光對(duì)胚根及胚軸生長(zhǎng)的影響，但相比對(duì)照組，均表現(xiàn)為促進(jìn)作用；當(dāng)綠光與藍(lán)光混合輻射時(shí)，可顯著減弱藍(lán)光對(duì)種子發(fā)芽及胚根生長(zhǎng)的抑制作用，但相比對(duì)照組，仍表現(xiàn)為抑制作用，對(duì)胚軸的生長(zhǎng)則沒有顯著影響。可見，在本試驗(yàn)中綠光并不是如Flota等[4]報(bào)道的對(duì)植物只有抑制生長(zhǎng)或者停止生長(zhǎng)的影響。

因此，為了提高擬南芥種子的發(fā)芽率，且獲得比較健康壯碩的幼苗，從而提高幼苗成活率，應(yīng)在擬南芥種子萌發(fā)過程中使用紅、綠兩種光質(zhì)按紅多綠少的比例混合輻射種子，具體的最佳光譜結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件有待進(jìn)一步試驗(yàn)。

[1]陳璋.擬南芥：植物分子生物學(xué)研究的模式物種[J].植物學(xué)通報(bào)，1994，11(1)：6-11.

[2]WHITELAM GC，HALLIDAY KJ.Light and Plant Development[D].UK：Oxford，2007.

[3]BORTHWICK HA，HENDRICKS SB，PARKER MW，et al.A reversible photoreaction controlling seed germination[J].Botany，1952，38：662-666.

[4]FOLTA KM，MARUHNICH SA.Green light：a signal to slow down or stop[J].Journal of Experimental Botany，2007，58(12)：3099-3111.

[5]李曉陽(yáng)，陳慧澤，韓榕.He-Ne激光處理對(duì)擬南芥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)特性的影響[J].西北植物學(xué)報(bào)，2012，32(1)：131-135.

[6]李曉陽(yáng)，陳慧澤，韓榕.UV-B輻射對(duì)擬南芥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響[J].植物學(xué)報(bào)，2013，48(1)：52-58.

(責(zé)任編輯：林蕓青)

Effects of different LED light treatments on the germination ofArabidopsis

WU Bing, XU Yong

(ResearchCenterofOptoelectronicAgricultureEngineeringandTechnology,FujianAgricultureandForestryUniversity,FujianProvince350002)

Effects of different lights with different spectral structures, which include red light (λ=660 nm), green light (λ=525 nm) and blue light (λ=445 nm), on seed germination ofArabidopsiswere studied. The results showed that the red light could significantly improve the seed germination rate ofArabidopsis, and promote the growth of radicle and hypotocyl; completely contrary results were observed when treated by blue light. The significant improvement of the seed germination rate ofArabidopsis, and its growth of radicle and hypotocyl by red light could be weakened by mixed green and red light illumination treatment. The treatment by mixed green and blue light could weaken the depression of seed germination and growth of radicle by blue light illumination, but not on growth of hypotocyl.Therefore, mixed red and green light treatment was recommended for seed germination ofArabidopsis.

Arabidopsis; seed germination; LED light source; spectral structure

2016-05-15

吳冰，男，1990年生，碩士研究生。

徐永，男，1959年生，教授(E-mail:emailyxu@gmail.com)。

福建省科技重大專項(xiàng)(2014NZ0002-2)。

10.13651/j.cnki.fjnykj.2016.06.001