如何做好植物组培试验：不同波长光源对组培苗生长的影响（上）

引言

  植物组织培养技术作为现代生物工程的重要组成部分，已广泛应用于植物快繁、品种改良、次生代谢物生产等领域。在植物组培过程中，环境因子（如温度、湿度、CO2浓度、光照）对培养物的生长发育、形态建成及生理代谢具有决定性作用。其中，光照作为植物光合作用的能量来源，不仅为植物生长提供物质基础，还通过光信号调控植物的基因表达、酶活性及细胞分化，是组培体系优化的核心调控因子之一。不同于自然光照的复杂性，组培环境中的光源需人工调控，因此科学选择光源类型、优化光参数（光强、光周期、波长），对提高组培苗质量、降低生产成本具有重要现实意义。本文将系统分析植物组培试验中光源选择的关键要素，深入探讨不同波长光源对植物生长的影响机制，为组培试验的高效开展提供理论参考与实践指导。

一、植物组培试验中光源选择的核心要素

  光源选择的核心要素包括光强、光周期及光源类型，三者共同决定光照环境的合理性，直接影响组培物的生长状态。

（一）光强：光合作用与光胁迫的平衡

  光强是指单位面积上单位时间内接收的光能量，常用单位为μmol/(m²・s)（光合有效辐射，PAR，波长400nm -700nm）。在植物组培中，光强的选择需避免“过强”或“过弱”：

  光强不足：会导致组培苗光合作用速率下降，碳水化合物合成减少，出现徒长（茎秆细长、节间变长）、叶片黄化、叶绿素含量降低等问题，同时根系发育受阻，移栽成活率下降。例如，烟草组培苗在光强低于50μmol/(m²・s)时，叶片光合速率仅为最适光强的30%，且根系鲜重显著降低。

  光强过高：则会引发光胁迫，导致叶绿体结构破坏、光合酶活性抑制，同时促进活性氧（ROS）积累，造成细胞氧化损伤，表现为叶片灼伤、褐化，甚至培养物死亡。

  不同植物及培养阶段对光强的需求差异显著：愈伤组织诱导阶段通常需较低光强（20μmol/(m²・s)-50μmol/(m²・s)），部分植物（如马铃薯）甚至需黑暗条件以促进愈伤形成；芽分化及幼苗生长阶段需中等光强（80μmol/(m²・s)-150μmol/(m²・s)），以满足光合作用与形态建成需求；而多肉植物、药用植物（如铁皮石斛）的壮苗阶段，需较高光强（150μmol/(m²・s)-250μmol/(m²・s)），以促进叶片增厚、多糖积累。因此，组培试验中需通过梯度试验确定“最适光强”，实现光合作用效率与光胁迫风险的平衡。

（二）光周期：生理节律与生长效率的调控

  光周期是指一天中光照与黑暗的交替周期，直接影响植物的生理节律（如光合节律、激素合成节律）及生长发育进程（如开花诱导、休眠解除）。在植物组培中，光周期的调控需遵循以下原则：

  匹配植物光周期特性：短日照植物（如菊花、大豆）的组培苗，需设置8h-10h光照/14h-16h黑暗周期，以避免徒长、促进花芽分化；长日照植物（如小麦、萝卜）则需14h-16h光照/8h-10h黑暗周期，以促进营养生长、抑制休眠；中性日照植物（如番茄、黄瓜）对光周期不敏感，通常设置12h-14h光照/10h-12h黑暗周期，即可满足生长需求。

  结合培养目标调整：若以“增殖”为目标（如草莓组培苗快繁），需延长光照时间（16h光照/8h黑暗），以提高光合产物积累，促进侧芽萌发；若以“生根”为目标（如月季组培苗生根），则需适当缩短光照时间（10h-12h光照/12h-14h黑暗），因黑暗环境可促进生长素（IAA）合成，诱导根原基形成。

  避免极端光周期：持续光照（24h光照）会导致植物光合机构“疲劳”，光合速率下降，同时打破激素平衡（如赤霉素含量升高），引发徒长；而持续黑暗则会导致叶绿素降解、光合作用停滞，培养物因“饥饿”死亡。

（三）光源类型：效率与功能的兼顾

  组培试验中常用的光源包括传统光源（荧光灯、高压钠灯、白炽灯）与新型光源（发光二极管，LED）。不同光源的光谱特性、能量效率及使用寿命差异显著，直接影响组培成本与培养效果：

  传统光源的局限性：荧光灯光谱较宽（400nm-700nm），但能量效率低（光效约50lm/W -80lm/W），且发热量大，易导致培养环境温度升高；高压钠灯光强高，但光谱集中于黄橙光（580nm-620nm），蓝光（400nm-500nm）比例不足，易导致组培苗徒长、叶片变薄；白炽灯光谱以红光（620nm-760nm）和红外光（>760nm）为主，蓝光缺失，且能量效率极低（光效约10lm/W-20lm/W），已逐渐被淘汰。

  LED光源的优势：LED光源具有光谱可调（可定制单一波长或组合波长）、能量效率高（光效约100lm/W-150lm/W，是荧光灯的2-3倍）、发热少（冷光源，避免温度胁迫）、寿命长（约50000h，是荧光灯的5-10倍）等优点，已成为现代组培光源的首选。

  选择光源类型时，需综合考虑培养目标与成本：若开展基础研究（如单一波长对植物生长的影响），需选择可调节波长的LED光源；若进行大规模商业化生产（如组培苗快繁），则需选择高能量效率的组合波长LED光源（如红蓝组合、红蓝光+远红光组合），以兼顾生长效果与成本控制。

二、不同波长光源对植物生长的影响机制

  植物通过光受体（如光敏色素、隐花色素、向光素）感知不同波长的光信号，进而调控光合作用、激素代谢、细胞分化等生理过程。不同波长光源（紫外光、蓝光、绿光、红光、远红光）对植物生长的影响具有特异性，其作用机制与生理效应如下：

（一）紫外光（UV，200nm-400nm）

  紫外光根据波长可分为UVC（200nm-280nm，短波紫外）、UVB（280nm-320nm，中波紫外）与UVA（320nm-400nm，长波紫外）。由于UVC被臭氧层完全吸收，自然环境中以UVB和UVA为主，而组培环境中紫外光需人工添加，其对植物生长的影响具有“双重性”：

  抑制生长与损伤作用：UVB辐射可破坏植物DNA结构（如形成嘧啶二聚体），抑制光合酶（如Rubisco）活性，导致光合作用速率下降；同时，UVB可促进乙烯合成，加速叶片衰老、脱落。

  诱导次生代谢物积累：紫外光（尤其是UVB和UVA）可激活植物的“防御机制”，促进次生代谢物（如黄酮类、酚类、生物碱）合成，这些物质不仅能增强植物对紫外光的抗性，还具有较高的药用价值。

  因此，紫外光在组培中的应用需“适度”：若以“壮苗”为目标，需避免紫外光过量；若以“次生代谢物生产”为目标（如药用植物组培），可适当添加低强度紫外光（UVB强度5μmol/(m²・s)-10μmol/(m²・s)，UVA强度10μmol/(m²・s)-20μmol/(m²・s)），以提高活性成分含量。

（二）蓝光（400-500nm）

  蓝光是植物光合作用的重要能量来源（光合有效辐射之一），同时通过隐花色素（CRY1、CRY2）和向光素（PHOT1、PHOT2）调控植物的形态建成与生理功能，其核心作用包括：

  抑制徒长，促进壮苗：蓝光可抑制赤霉素（GA）合成，促进生长素（IAA）分解，从而缩短茎秆长度、增加茎粗，形成“矮壮型”组培苗。例如，黄瓜组培苗在纯蓝光照射下，株高较白光对照组降低50%，茎粗增加30%，且叶片厚度提高25%，有效增强了幼苗的抗逆性；

  促进叶绿体发育与光合色素合成：蓝光可调控叶绿体相关基因（如rbcL、cab）的表达，促进叶绿体类囊体膜的形成及叶绿素a、叶绿素b的合成，提高光合作用效率。

  调控气孔开闭与物质运输：向光素在蓝光照射下被激活，可促进气孔开放，增加CO2进入叶片的速率，同时促进光合产物（如蔗糖）从叶片向根系或其他器官运输，改善组培苗的营养分配。

（三）绿光（500nm-600nm）

  长期以来，绿光被认为是植物光合作用的“低效光”（叶绿素对绿光的吸收率较低，约为红光的1/3），但近年研究表明，绿光在植物生长调控中具有不可替代的作用，其核心功能包括：

  补充光合作用，提高光利用效率：虽然叶绿素对绿光的吸收较弱，但植物叶片中的类胡萝卜素、藻胆素等色素可吸收绿光，并将能量传递给叶绿素，参与光合作用。此外，绿光可穿透叶片深层组织，被下层叶片吸收，提高整体光利用效率。

  调控植物形态，缓解光胁迫：绿光可拮抗蓝光和红光的形态调控作用，避免组培苗过度矮化。例如，在纯蓝光照射的辣椒组培苗中添加15%绿光，株高较纯蓝光组增加20%，同时叶片舒展度提高，避免了叶片卷曲；此外，绿光可降低强光下活性氧的积累，缓解光胁迫。例如，水稻组培苗在高光强（300μmol/(m²・s)）下添加绿光，MDA 含量较无绿光组降低 30%，光合速率维持在较高水平；

  影响次生代谢物合成：绿光可通过调控相关酶（如苯丙氨酸解氨酶，PAL）的活性，影响次生代谢物的积累。例如，银杏组培苗经绿光处理后，黄酮醇含量较白光组升高25%，而花青素含量降低15%，表明绿光对次生代谢物的影响具有选择性。

  目前，绿光在组培中的应用仍处于探索阶段，其最佳添加比例（通常为10%-20%）需结合植物种类与培养目标确定，未来有望成为组培光源优化的重要方向。

（四）红光（600nm-700nm）

  红光作为光合有效辐射中能量最高的波段之一，是植物光合作用的主要能量来源，同时通过光敏色素（phyA、phyB）调控植物的开花、休眠等生理过程，其核心作用包括：

  提高光合作用效率，促进生物量积累：叶绿素对红光的吸收率极高（约为蓝光的2倍），红光照射可显著提高光合电子传递速率与Rubisco活性，促进碳水化合物合成。

  调控开花与休眠：红光可通过光敏色素调控开花相关基因（如FT基因）的表达，诱导长日照植物开花，抑制短日照植物开花。例如，拟南芥（长日照植物）组培苗经红光处理（16 h光照/8 h黑暗）后，开花时间较白光组提前10d；而菊花（短日照植物）经红光处理后，开花时间延迟15d。此外，红光可打破植物休眠，促进芽萌发。

  促进生根与养分吸收：红光可促进生长素的合成与运输，诱导根原基形成，提高组培苗的生根率。例如，月季组培苗经红光处理后，生根率较白光组提高 40%，根系长度增加25%；同时，红光可促进根系对氮、磷、钾等矿质元素的吸收，改善组培苗的营养状况。例如，番茄组培苗经红光处理后，根系氮吸收量较蓝光组提高30%，叶片氮含量增加20%。

  红光的作用需与其他波长协同：单独使用红光易导致组培苗徒长（茎秆细长），因此通常与蓝光组合（红蓝比7：3），以平衡光合效率与形态建成。

（五）远红光（700nm-800nm）

  远红光虽不属于光合有效辐射（植物无法利用其进行光合作用），但可通过光敏色素（尤其是phyA）调控植物的光形态建成，其核心作用集中在株高调控与光环境适应。

  调节株高，避免徒长或过度矮化：远红光可通过改变光敏色素的活性状态（Pr→Pfr），调控赤霉素的合成，从而影响株高。

  影响种子萌发与休眠：远红光可抑制种子萌发，而红光可促进种子萌发，二者的平衡决定了种子的萌发率。

  远红光在组培中的应用主要针对“株型调控”，其添加比例需根据组培苗的形态需求调整：若组培苗徒长，可添加低比例远红光；若组培苗过度矮化，可添加高比例远红光，以实现株型的精准调控。

三、总结

  光源作为植物组培中的关键环境因子，其选择（光强、光周期、光源类型）与波长特性直接影响组培苗的生长发育、形态建成及生理代谢。通过科学调控：低光强适合愈伤组织诱导，中等光强适合芽分化与生根，较高光强适合壮苗与次生代谢物生产；长日照促进长日照植物生长，短日照适合短日照植物；LED光源（尤其是红蓝组合光）因光谱可调、效率高，已成为组培光源的主流选择。不同波长光源的作用具有特异性：蓝光抑制徒长、促进叶绿体发育，红光提高光合效率、促进开花，绿光补充光合、缓解光胁迫，紫外光诱导次生代谢物，远红光调控株高。

  下一期，我们将介绍植物组培试验中光源的应用策略。

注:本文属海博生物原创,未经允许不得转载。

上一篇：微生物发酵的工业应用介绍（下）

下一篇：没有了！