不同光质对珊瑚姜组培苗生长的影响

不同光质对珊瑚姜组培苗生长的影响骆  娜，张小霞，杨丽娇，王小菁，孙姝兰*华南师范大学生命科学学院/广东省植物发育生物工程重点实验室，广东广州  510631摘 要   红光和蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要光质，不同植物对红光和蓝光光质配比的需求有所差异。本研究采用发光二极管(LED)辐射产生的不同光质，探究不同光质对珊瑚姜愈伤组织诱导、芽增殖及组培苗生长发育的影响。结果表明，在愈伤组织诱导阶段，黑暗和红光的条件更利于珊瑚姜愈伤组织的诱导和生长，二者没有显著性差异。不同光质下珊瑚姜愈伤组织诱导率从高到低依次为黑暗>红光>白光>蓝光、红蓝组合光，为节能省电，建议使用黑暗条件诱导珊瑚姜愈伤组织。在珊瑚姜芽增殖阶段，红蓝组合光下珊瑚姜芽增殖系数最高，红光次之。相比白光，红光会促进珊瑚姜组培苗长高，而蓝光使苗矮化。但红光条件下，幼苗生长状态较柔弱。红蓝组合光和白光条件下，幼苗较为健壮。因此，建议使用低耗能、低散热、寿命长的LED  红蓝组合光替代普通白炽灯作为珊瑚姜芽增殖培养的光源。该研究结果为LED系统在珊瑚姜的规模化生产中的应用提供参考。关键词   珊瑚姜；光质；愈伤诱导；芽增殖；组培苗中图分类号   S123           文献标识码   AEffects of Different Light Qualities on Plantlets Development of Zingiber corallinum Hance LUO Na, ZHANG Xiaoxia, YANG Lijiao, WANG Xiaojing, SUN Shulan*Guangdong Provincial Key Laboratory of Biotechnology for Plant Development/School of Life Sciences, South China Normal University, Guangzhou, Guangdong 510631, ChinaAbstract Red and blue light are the most important lights for photosynthesis and photomorphogenesis of plants. Lights with different ratio of red and blue light are required for different plants. This study was conducted to investigate the effects of different LED light qualities on callus induction, shoots multiplication and plantlets growth of Z. corallinum Hance. The results showed that both dark and red light had good effects on callus induction and growth, and there was no significant difference between these two light condition. The callus induction rate of Z. corallinum Hance under different light quality could be listed from high to low as dark, red light, white light, and red combined blue light or blue light. For energy saving, dark condition is recommended to be used in the induction of Z. corallinum Hance callus. At the stage of shoots multiplication, the proliferation coefficient under red combined blue light was the highest, followed by red light. The plantlets height was promoted under red light, while reduced under blue light, compared to the white light. The plantlets became more healthy under the conditions of red combined blue light or white light than under red light. Therefore, the low-energy, low-heat, long-life LED with red combined blue light is recommended to replace the ordinary incandescent lamp as the light source of Z. corallinum Hance shoots multiplication and plantlets growth. The results would provide a reference for the application of LED system in the large-scale production of Z. corallinum Hance. Key words Zingiber corallinum Hance; light quality; callus induction; shoots multiplication; plantletsdoi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.04.006珊瑚姜 (Zingiber corallinum Hance)是姜科姜属植物，主要分布在我国云南、广西、广东、贵州等地，是极好的园林布置材料和插花配材1，还是集医药、化工和观赏价值为一体的重要植物资源。珊瑚姜的药用价值较高，其精油有抑菌作用，是一种理想的空气消毒剂及植物源农药，其根茎可入药，具有消肿、解毒、抗菌的功能2。在畜牧业中，珊瑚姜提取物能降低料比，提高仔猪饲料利用效率3。珊瑚姜在自然状态下萌发率很低，幼苗生长慢，根茎繁殖率也很低，不利于大规模生产。因此，稳定高效的珊瑚姜组织培养与快繁技术体系为规模生产提供技术支持尤为重要。 温度、光照、水肥、土壤等环境因素等均影响植物生长，其中光照是植物生长发育和产量形收稿日期   2017-12-21                          修回日期  2018-02-23基金项目   国家自然科学基金委员会广东省人民政府联合基金(No. U1301213)。作者简介    骆  娜(1992)，女，硕士研究生；研究方向：植物发育及调控。*通讯作者(Corresponding author)：孙姝兰(SUN Shulan)，E-mail: sunslscnu.edu.cn。热 带作物 学报 2018，39  ( 4 ) ： 651-655Chinese Journal of Tropical Crops热 带 作 物 学 报 第 39 卷- 652 -成的驱动力。光对植物组织培育的调控主要体现在人工光源的选择，包括光质、光照强度、光周期。不同波长的光作为一种可调控的物理因子已广泛地应用于植物组织培养过程中的形态发生、生长控制、光形态建成及其各种反应机制的研究4。LED光源与传统的荧光灯相比，其具有能效高、散热量低、光谱光强可调、光电转换效率高、寿命长等优点，更有利于组培苗的生长5。其中光质对植物的生长、物质代谢、基因表达和光形态建成均具有调控作用。潘瑞炽等6的研究表明，光合作用的有效波长在400700  nm之间，其中425490  nm(蓝光)及610700 nm(红光)对光合作用贡献最大，而520610 nm(绿光)被植物吸收的比率很低。因此，光质研究一般设定红光、蓝光和红蓝组合光为研究对象。在对大花蕙兰和菊花的研究中发现，红蓝组合光的条件更适合组培苗的生长7-8。发光二极管(light-emitting  diode, LED)是一种能发光的半导体电子元件，具有制作成本低、节能环保、寿命长、波长固定、光效高等特点9，具备产业化替代传统光源的潜力，在农业生产方面具有良好的前景10。在此之前，未见有报道探究关于不同光质对珊瑚姜组培苗生长的影响。本研究利用初步建立的珊瑚姜组培苗再生体系，采用发光二极管作为光源，利用具有特定波长的单一光质和组合光质，研究不同光质对珊瑚姜组培苗诱导、增殖和分化等影响，以期找出珊瑚姜组织培养最适光质，为提高珊瑚姜增殖效率提供理论依据。1  材料与方法1.1  材料  1.1.1  试验材料   试验在LED光照培养室进行，培养温度为(252)。供试材料为野生型珊瑚姜(由华南师范大学生命科学学院王英强教授惠赠)，采自广东省惠州市龙门县桂峰山(位于11400'  377“E，2319' 678“N，海拔385 m)。1.1.2  光源   以普通白炽灯(白光)360750  nm为对照，采用固定波长的红光、蓝光和红蓝组合光为光源，其中红光波峰为625  nm、蓝光波峰为425  nm，红光蓝光=73(625  nm/425 nm)，光照强度设置为50  mol.m-2.s-1。所有的LED光源购自惠州市纯英半导体照明科技有限公司。测试仪器为远方PMS-50系统，由杭州远方光电公司制造。1.1.3  培养基   MS基本培养基为MS(Murashige-Skoog)加3%(w/V)蔗糖和0.75%(w/V)琼脂，pH  5.8。珊瑚姜种子萌发培养基为MS基本培养基。珊瑚姜愈伤组织诱导培养基为MS+2,4-D  1.0 mg/L+6-BA 0.5 mg/L，芽诱导培养基为MS+6-BA  1.0 mg/L+NAA 0.5 mg/L，121 高压灭菌20 min。1.2  方法  1.2.1  种子萌发   从珊瑚姜植株上采下成熟、自然开裂的蒴果，经过消毒冲洗后，接种在MS基本培养基上进行暗培养。1.2.2  愈伤组织的诱导   芽诱导实验以种子萌发后的下胚轴为外植体。将下胚轴接种在芽诱导培养基上诱导丛芽形成。诱导形成的丛芽用来作为后续的茎基部诱导芽增殖(愈伤诱导实验)。将珊瑚姜茎基部接种到愈伤诱导培养基上，放置于普通白炽灯和不同光质的LED灯下培养，光照时间12  h/d，以暗培养为对照，得到的愈伤每隔30  d继代1次，共继代13次，继代培养基与愈伤诱导培养基的配方相同。1.2.3  芽增殖   将1.2.2中得到的丛芽切成单芽，留下茎基部接种在培养基上，分别置于不同光质的LED灯下培养，并以普通白炽灯为对照，光照时间16 h/d。1.2.4  生根与驯化   将诱导出的珊瑚姜丛芽切成单芽，接种芽增殖培养基上，因组培苗在芽增殖培养基上可以自然生根，故不需转接在专门的壮苗生根培养基上生根。将根系发达、生长状况良好的珊瑚姜组培苗(高度约6  cm)移出组培室，打开瓶盖在实验室通风和散射光下炼苗34  d后，用镊子轻轻取出组培苗，洗去基部残留的培养基，移栽到培养室以营养土(购自广州市东朕园艺有限公司)作基质的花盆内。在起初的1周内，每天浇1次水，之后，每3d浇1次。20  d后观察苗的生长状况并统计成活率。1.3  测定指标与数据处理培养结束后，测量试管苗基部到顶芽的距离作为株高，株高为每重复测定20株苗(重复3次)。统计每株的根长、根的数目和叶片数目，计算其平均值。其他指标计算公式为：愈伤组织诱导率=(形成愈伤的外植体数/接种的外植体总数)100%；芽增殖诱导率=(诱导生芽的外植体数/接种外植体总数)100%；芽增殖系数=再生不定芽数/再生外植体数；移栽成活率=(成活的植株数目/移栽的总植株数目)100%。数据采用SPSS软件进行方差分析和多重比较分析(Duncan nulls法)，用Microsoft  Excel软件绘图。2  结果与分析2.1  不同光质对珊瑚姜愈伤组织诱导的影响在不同的光质下诱导珊瑚姜愈伤组织，发现其骆  娜等：不同光质对珊瑚姜组培苗生长的影响第 4期- 653 -诱导率存在着显著差异。诱导出愈伤组织的时间在红光与暗处理条件下最短，均在10  d后珊瑚姜茎基部开始膨大，15  d后逐渐有黄绿色愈伤组织形成，并且诱导率最高，分别为47.92和55.16(图1)。白光条件下，珊瑚姜愈伤组织诱导时间明显延后，15 d茎基部才逐渐膨大，20  d后愈伤组织才逐渐形成，诱导率仅为11.69%(图1)。而蓝光与红蓝组合光(红光蓝光=73)下所有茎基部外植体均发生组织褐化、坏死，均不能诱导出愈伤组织。因此，愈伤组织诱导率从高到低依次为黑暗>红光>白光>蓝光、红蓝组合光，说明蓝光不利于珊瑚姜的愈伤诱导组织形成。60.0050.0040.0030.0020.0010.000.00愈伤诱导率/%黑暗          红光            白光          蓝光  红光:蓝光=7:3光质cd dab图 1 不同光质对珊瑚姜愈伤组织诱导的影响Fig. 1 Effects of different light quality on callus induction of Z. corallinum Hance2.2 不同光质对珊瑚姜愈伤组织 品质影响的差异不同光质下的愈伤组织不仅在愈伤组织诱导时间和愈伤组织诱导率上存在差异，而且愈伤组织品质也存在明显差异。如图2所示，白光下诱导的愈伤组织颜色浑浊、生长缓慢，不适宜用作下一步的增殖分化实验材料；红光下诱导的愈伤组织颜色略显黄绿，质地较致密，生长略慢，较适合增殖分化；而暗处理诱导的珊瑚姜愈伤组织颜色浅黄透明，质地较为疏松，生长较快，适于进一步增殖分化。2.3  不同光质对珊瑚姜芽诱导及芽增殖系数的影响在探究不同光质对珊瑚姜芽增殖的实验中，发现不同光质对珊瑚姜芽增殖的影响也有一定的差异。珊瑚姜茎基部外植体在白光、红光、红蓝组合光、蓝光4种不同光质下的芽诱导率没有显著差异，分别为(58.331.67)%、(65.001.67)%、(57.141.43)%、(68.338.33)%。但是不同光质对芽增殖系数的影响差别较大，白光、红光、蓝光、红蓝组合光下的总芽增殖系数分别为2.740.74、4.430.04、2.950.51、5.180.58(表1)。其中，红蓝光组合下的芽增殖系数最大，与白光相比提高了89.05%；单一的红光对芽增殖也有明显的促进作用，相比白光提高了61.69%；蓝光下的芽增殖系数最小，与白光下的芽增殖系数无明显差异。由于0.5 cm以上的芽更利于继代培养，于是我们进一步统计0.5  cm以上的芽增殖系数。结果显示，白光、红光、红蓝组合光、蓝光4种不同光质下大于0.5  cm的芽增殖系数分别为1.641.64、3.380.38、4.820.01、2.280.84，分别占总芽增殖系数的59.85%、76.30%、93.05%、77.29%。综上，说明红光、红蓝组合光均能促进珊瑚姜的芽增殖，且红蓝组合光的促进作用 更显著。 A：茎基部外植体；BF：珊瑚姜愈伤组织在不同光质下培养30 d(B：暗处理；C：白光；D：红光；E：蓝光；F：红光蓝光=73)。A: Explant from stem base; BF: Callus of Z. corallinum Hance cultured in different light types for 30 days B: Dark; C: White light; D: Red light; E: Blue light; F: Red combined with blue light(73).图 2  不同光质对珊瑚姜愈伤组织品质的影响Fig. 2 Effects of different light types on callus quality of Z. corallinum Hance表 1 不同光质对珊瑚姜丛芽增殖的影响Table 1 Effects of different light quality on shoots multiplication of Z. corallinum光质 芽诱导率/% 总芽增殖系数 大于0.5 cm芽增殖系数白光 (58.331.67)a (2.740.74)a (1.641.64)a红光 (65.001.67)a (4.430.043)ab (3.380.38)a红光:蓝光=7:3 (57.141.43)a (5.180.58)b (4.820.012)a蓝光 (68.338.33)a (2.950.51)a (2.280.84)a说明：表中数值为平均值标准误，同列不同小写字母表示p红光>白光>蓝光、红蓝组合光。说明黑暗和单色红光条件更利于珊瑚姜愈伤组织的诱导。因此，说明不同光质对愈伤组织诱导的效应因植物种类不同而存在差异。在植物组织培养芽增殖阶段，幼苗的株高是植物组培苗的一项重要指标，本研究发现，单色红光能促进珊瑚姜植株增高，而蓝光抑制幼苗株高。Schuerger等13发现红光对芽与茎的伸长及对光敏色素的响应反应有着重要作用，任桂萍等14在蝴蝶兰组织培养中发现红光有利于蝴蝶兰单芽株高的增加，而蓝光则抑制蝴蝶兰单芽的株高。李杰等15发现金线莲在红光处理下的株高显著高于其他光质下的处理，而蓝光不利于金线莲组培苗的生长。Moreira等16报道文心兰的组培苗在蓝光下培养，其节间长度及株高均降低。说明红光和蓝光对不同物种生长影响之间存在共性。不同的植物其红/蓝光受体与隐花色素之间存在协同交互效应，从而促进或者抑制其茎的生长17。然而李杰等15发现纯红光处理东源金线莲的株高 显著高于其他处理。王表 2  不同光质对珊瑚姜丛芽生长的影响Table 2 Effects of different light quality on shoots growth of Z. corallinum Hance.光质   株高/cm    叶片数目    根数目    根长/cm白光 (4.150.48)ab (4.060.66)a (8.542.34)a (5.681.36)a红光 (5.080.40)b (2.430.47)a (6.760.93)a (9.770.42)b红光:蓝光=7:3 (3.210.72)a (3.630.36)a (5.311.29)a (5.121.19)a蓝光 (3.120.28)a (3.590.35)a (7.430.88)a (5.830.73)a骆  娜等：不同光质对珊瑚姜组培苗生长的影响第 4期- 655 -亚沉等18在研究光质对根生长的影响时发现红蓝组合光(R2B1)处理的碧玉兰组培苗根长最长，红光处理的碧玉兰组培苗根长次之。苏俊等19发现红蓝绿(RBG)和红蓝白(RBW)光质对烟草组培苗植株根长的促进效果均显著优于其他组合光、  单色光和白光处理。不同光质对不同物种根生长的影响存在差异。而在本研究中发现，红光显著利于珊瑚姜根的生长。可能是由于红光通过光合作用积累淀粉，储存于根系中，从而促进珊瑚姜根系生长20。在植物组织培养的芽增殖方面，普遍发现单一光质对不定芽生长情况不利，红蓝组合光在芽增殖和组培苗生长方面均有良好成效。杨长娟等21以切花洋桔梗组培苗为实验材料，发现，红蓝组合光(红光：蓝光=2:1)处理的组培苗增殖量最高，蓝光处理的组培苗增殖量最低。王亚沉等18在光质对碧玉兰的芽生长影响实验中发现，红蓝组合光(红光蓝光=21)处理最有利于碧玉兰组培苗的生长。李杰等15发现金线莲的增殖系数在R8B2处理下最大，红光合R2B8处理次之。说明红光对植物的芽增殖具有普遍的促进作用，但对于不同植物所需红光的比例却存在着差异。本研究得出的结果与以上不同光质对其植物的组织培养的影响的结果相似一致。原因可能是由于红蓝光组合条件下对光敏色素和隐花色素的交互作用更利于植物对光的响应，但具体作用机制有待进一步验证。本研究发现在愈伤组织诱导阶段，黑暗和红光更利于珊瑚姜愈伤组织的诱导和生长，二者没有显著性差异。为节能省电，建议使用黑暗条件诱导珊瑚姜愈伤组织。在珊瑚姜芽增殖阶段，相比白光，红蓝组合光和红光对珊瑚姜芽增殖更有利，蓝光会抑制珊瑚姜芽的增殖，其中，红蓝组合光对珊瑚姜芽增殖的效果最好。相比白光，红光会促进珊瑚姜组培苗长高，而蓝光使苗矮化。但红光条件下，幼苗生长状态较柔弱，红蓝组合光和白光条件下，幼苗较为健壮。综上，红蓝组合光对珊瑚姜组培苗的芽增殖均优于其他光质，芽的生长状态优于单色光，并与白光条件没有显著差异。因此，建议使低耗能、低散热、寿命长的LED红蓝组合光替代普通白炽灯作为珊瑚姜芽增殖培养的 光源。参 考文献1  高江云，陈  进，夏永梅.  国产姜科植物观赏特性评价及优良种类筛选J. 园艺学报，2002，29(2)：158-162，198.2  包  骏，冉懋雄.  贵州苗族医药研究与开发M.  贵阳：贵州科技出版社 ，1999.3  陈春林.  珊瑚姜香精油研究进展及在畜牧业中的应用J.  畜禽业，2014(4)：7-8.4  刘  浩，李  胜，马绍英，等.  LED不同光质对萝卜愈伤组织诱导、增殖和萝卜硫素含量的影响J. 植物生理学通讯，2010(4)：347-350.5  刘文科，杨其长.  植物工厂LED照明应用的几点思考J.  照明工程学报，2015，26(4)：98-102.6 潘瑞炽. 植物生理学M. 北京：高等教育出版社，2001.7  张  婕，高亦珂，何  琦，等.  发光二极管(LED)在菊花组织培养中的应用研究C/中国园艺学会观赏园艺专业委员会2008年学术年会论文集. 2008.8  Tanaka M，Takamura  T，Watanabe  H， et al. 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