廖禎妮,于曉英,符紅艷
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院,湖南 長沙 410128)
自1955年De[1]首次報道在向日葵等組織培養(yǎng)中引進光因子的應(yīng)用以來,許多國內(nèi)外科學(xué)工作者相繼開展了這方面的研究工作,有關(guān)光質(zhì)在植物離體再生培養(yǎng)中的作用研究也逐漸成為熱點。光在植物細胞的若干分化過程中具有特殊的重要地位,光質(zhì)對植物離體再生培養(yǎng)過程中組培苗的生長控制、形態(tài)發(fā)生、光形態(tài)建成及其各反應(yīng)機理都具有顯著的影響。它除了作為一種能源來控制光合作用,還作為一種誘導(dǎo)信號影響組織的生長,光信號被組培苗體內(nèi)不同的光受體感知,進而影響組培苗的生長發(fā)育、光合特性及性狀表現(xiàn)。目前,在眾多植物材料的組織培養(yǎng)研究中,不同材料的光質(zhì)影響結(jié)果有一定的差異,可能是不同種類的植物、不同發(fā)育年齡或狀態(tài)、不同組織或器官對同一光質(zhì)的反應(yīng)有所不同所致,這也表現(xiàn)出光生物學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性。現(xiàn)將相關(guān)研究進展綜述如下。
在不同光質(zhì)條件下,愈傷組織形成的時間、生長狀況及誘導(dǎo)率都有明顯的差異。馬琳等[2]以蒼山蒜蒜瓣為培養(yǎng)材料,在LED紅、藍、紅藍組合光和普通日光燈(白光)4種不同的光照培養(yǎng)條件下對大蒜莖盤進行愈傷組織誘導(dǎo),研究發(fā)現(xiàn)各種光質(zhì)下均能誘導(dǎo)出愈傷組織,誘導(dǎo)率從高到低依次為紅光>紅藍混合光>藍光>白光,其中以紅光出愈時間最短,10 d即有愈傷發(fā)生,誘導(dǎo)率為75.78%,紅光、藍光與紅藍混合光培養(yǎng)18 d,愈傷組織才大量發(fā)生。劉浩等[3]研究表明LED白、紅、黃、藍、綠和藍紅6種不同光質(zhì)對蘿卜下胚軸愈傷組織的誘導(dǎo)效應(yīng)影響顯著(P<0.05),誘導(dǎo)率大小順序依次為黃光>紅光>藍紅光>白光>藍光>綠光;在黃光和白光條件下,接種10 d后下胚軸有少量的顆粒狀愈傷組織出現(xiàn),在紅光、藍光、綠光和藍紅光條件下,12 d后下胚軸也有少量的愈傷組織產(chǎn)生;藍光、黃光和紅光有利于子葉愈傷組織的誘導(dǎo)。黃麗華等[4]研究發(fā)現(xiàn)在紅光和白光下較適合辣椒愈傷組織的形成,其愈傷組織出現(xiàn)的時間早,接種7 d可見淡黃色的愈傷組織,且增殖也很快,誘導(dǎo)率可達100%,但藍光對辣椒子葉的誘導(dǎo)率僅為10%,在4種光質(zhì)中,紅光和白光對辣椒子葉愈傷組織的誘導(dǎo)有促進作用,綠光和藍光則起抑制作用。焦海華等[5]研究表明紅光、綠光、藍光、黃光對一品紅愈傷組織的誘導(dǎo)均有促進作用,其誘導(dǎo)率大小順序為紅光>綠光>黃光、藍光>白光>黑暗;出現(xiàn)愈傷組織的時間快慢為白光、紅光>黑暗、藍光>黃光。許桂芳[6]在華黃愈傷組織誘導(dǎo)分化的研究中發(fā)現(xiàn)藍光在華黃葉片的脫分化、愈傷組織增殖中起促進作用。
不同光質(zhì)下,植物愈傷組織的增殖和品質(zhì)存在著明顯差異,同時植物愈傷組織在不同光質(zhì)下也表現(xiàn)出不同的分化效果。馬琳等[2]的研究表明不同光質(zhì)下愈傷組織誘導(dǎo)率和愈傷組織品質(zhì)存在明顯差異,各種光質(zhì)下大蒜愈傷組織的增殖均呈“S”形增長。蒜瓣接種后5 d內(nèi)培養(yǎng)物凈增量為負值,5 d后開始緩慢增量。各種光質(zhì)下增量速度也開始呈現(xiàn)差異,14~15 d進入指數(shù)生長期,愈傷組織大量發(fā)生,經(jīng)過10~12 d的迅速生長后,愈傷組織增量減緩,最后所達到的最大鮮質(zhì)量從大到小的順序依次為紅光>紅藍混合光>藍光>白光。在紅光下,愈傷組織質(zhì)量最好,顏色淡黃,質(zhì)地較致密,白光下誘導(dǎo)的愈傷組織顏色淡黃發(fā)白,質(zhì)地疏松,紅藍混合光下誘導(dǎo)產(chǎn)生的愈傷組織顏色為黃綠色,質(zhì)地疏松,藍光下產(chǎn)生的愈傷組織為黃褐色,質(zhì)地致密。不同光質(zhì)對大蒜愈傷組織出芽的影響效果以紅光出芽率最高,達到25%,白光次之,為17%,藍光和紅藍混合光對大蒜愈傷組織的出芽存在抑制作用,以藍光的抑制作用最強,出芽率僅3%。熊麗等[7]研究發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)處理的石刁柏繼代愈傷組織生長曲線同樣均呈“S”形,其凈增鮮重大小順序依次為藍光>紅光>黃光>白光>綠光>黑暗。毛學(xué)文等[8]研究發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)對毛地黃愈傷組織增殖大小順序為藍光>綠光>黃光>紅光>白光>黑暗,其增殖曲線也為“S”形。劉浩等[3]研究發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)下蘿卜愈傷組織的長勢情況為紅光>黃光>白光、藍紅光>藍光>綠光;20~30 d期間,紅光下愈傷組織生長量最高,愈傷組織呈淡綠色瘤狀,表面濕潤,適合不定芽的分化,白光、紅光和藍光下愈傷組織也先后開始褐化,藍紅光下部分愈傷組織出現(xiàn)褐化,黃光和綠光下愈傷組織呈乳白色水浸狀,且結(jié)構(gòu)緊密,不能作為理想的分化材料。黃麗華等[4]研究表明適合辣椒愈傷組織分化不定芽的光質(zhì)條件為紅光,其不定芽的分化率為85%,其次為白光、藍光、綠光。這一結(jié)果與瑪咖[9]、甘蔗[10]、一品紅[5]愈傷組織的分化結(jié)果一致。許桂芳[6]在華黃愈傷組織誘導(dǎo)分化的研究中發(fā)現(xiàn),藍光在華黃葉片愈傷組織增殖及根、芽誘導(dǎo)的全過程中起促進作用。郭君麗等[11]發(fā)現(xiàn)在懷山藥愈傷組織分化過程中,藍光的促進作用最強,紅光和白光次之,綠光和黃光較低,黑暗最差。此外,劉媛等[12]研究表明,葡萄品種“黑比諾”的葉片誘導(dǎo)成愈傷組織后,在不同光質(zhì)下的相同培養(yǎng)基中,其增殖倍數(shù)順序依次為黃光>綠光>紅光>藍光>白光,當(dāng)肉桂酸與不同光質(zhì)共同作用時,葡萄愈傷組織的增殖倍數(shù)順序依次為綠光>紅光>藍光>黃光>白光,黃光對愈傷組織的增長效應(yīng)明顯減弱。趙德修等[13]研究表明雪蓮愈傷組織隨光照時間延長,藍光對愈傷組織生長的抑制增大;白光、遠紅光除8 h光照愈傷組織生長降低外,隨著光照時間延長,愈傷組織生長增加,紅光在連續(xù)24 h照射時明顯促進愈傷組織生長;每天藍光/白光交替處理,分別為0/24、8/16、16/8、24/0(h/h)4種循環(huán)方式照射,其表現(xiàn)出全部藍光和全部白光下愈傷組織生長略優(yōu)于8/16、16/8(h/h)的處理。由此可見,在離體再生培養(yǎng)中,光質(zhì)和其他培養(yǎng)條件共同影響著愈傷組織的生長與分化,它們是交互疊加的。
Seibert等[14]研究表明,同一光譜區(qū)中波長不同以及輻照度的差異,會導(dǎo)致培養(yǎng)物生長性狀的不同,甚至相反。蘇秀紅等[15]發(fā)現(xiàn)繼代冬凌草組培苗在白光及綠光培養(yǎng)下,再生植株生長情況及植株增重最大,在綠光培養(yǎng)下的植株增高率最高,紅光和黑暗條件下相對來說植株增高率較低。羅曉錚等[16]將冬凌草的種子在不同光質(zhì)中培養(yǎng)出無菌苗,發(fā)現(xiàn)無菌苗在白光下長勢最好,葉片較多且為綠色,在紅光下無菌苗長勢其次,葉色為深綠色,在黃光、綠光、藍光條件下長勢較差,而紅光促進無菌苗的莖間伸生長效應(yīng)最明顯,藍光抑制生長,這與Kim 等[17]、Yanagi等[18]、Kong 等[19]研究認為紅光更利于根和莖間的伸長生長的結(jié)果相似,但與蘇秀紅[17]的實驗結(jié)果略有不同,可能與無菌苗是直接由種子萌發(fā)有關(guān)。另外,高亭亭等[20]在光質(zhì)和種質(zhì)間對鐵皮石斛試管苗影響進行了研究,結(jié)果表明,紅光有利于鐵皮石斛試管苗高生長,藍光則抑制高生長而有利于莖的橫向加粗,黃光有利于側(cè)芽的產(chǎn)生,對生長性狀的影響大小均為光質(zhì)>種質(zhì),說明光質(zhì)是主要影響因素。趙玉國等[21]也發(fā)現(xiàn)紅光能使諸葛菜和油菜的組培苗節(jié)間及葉柄伸長,植株較高,藍光使組培苗節(jié)間縮短,植株較矮,白光和紅藍混合光處理的組培苗生長正常,植株較壯。黃麗華等[4]研究結(jié)果表明,光質(zhì)對辣椒不定芽伸長率大小影響為白光>紅光>藍光>綠光,綠光不但抑制不定芽的伸長,而且使不定芽再次形成愈傷組織。Meijer[22]認為植物的伸長不僅是紅光作用的結(jié)果,還與藍光缺乏有關(guān)。藍光抑制植物縱向生長的作用機理可能是藍光影響了植物的內(nèi)源激素含量的高低,在水稻幼苗[23]的研究中發(fā)現(xiàn),藍光使自由態(tài)的 IAA、GA1、玉米素和二氫玉米素下降,ABA含量和乙烯釋放明顯增加,IAA被認為是光敏素被激活后的一個傳播因子,參與信號傳導(dǎo),玉米胚芽鞘中的IAA會在紅光照射后降低,這個反應(yīng)會被遠紅光逆轉(zhuǎn)。由此可見,實際受光調(diào)控的是光敏色素和隱花色素。
不同光質(zhì)配比對組培苗生長的影響也有報道。何小弟等[24]對5個菊花品種做了5個不同的光質(zhì)(白光、白光+紅光、白光+藍光、白光+綠光、紅光)處理,在白光+綠光的條件下,試管苗的生長效應(yīng)極顯著高于其他光質(zhì)處理,而白光下試管苗的生長效應(yīng)最弱。邸秀茹等[25]研究表明高紅光/遠紅光(2∶1)處理的植株最高,且顯著高于其他光質(zhì)光處理的組培苗,遠紅光和藍光處理的植株矮小,紅藍組合光質(zhì)光處理的菊花組培苗單株葉片數(shù)和節(jié)間數(shù)均高于白光處理,且顯著大于其他光質(zhì)光處理的組培苗。魏星等[26]認為菊花組培苗在紅光下生長最高,但葉片數(shù)相對少,藍光、紅藍組合光質(zhì)處理下組培苗矮壯,但葉片數(shù)多。從以上有關(guān)菊花組培苗的生長性狀可推測,不同植物種類的紅/藍光受體與隱花色素之間存在協(xié)同交互效應(yīng),從而促進或抑制莖的生長。楊長娟等[27]在LED不同光質(zhì)對洋桔梗組培苗增殖的研究中發(fā)現(xiàn),增殖率變化規(guī)律與增殖量變化規(guī)律相似,均為紅藍配光>紅藍復(fù)合光>白光>紅光+藍光+綠光>紅光+藍光+白光>紅光>日光燈>藍光。柳金鳳等[28]研究表明,紅藍光(7∶1)+白光環(huán)境下培養(yǎng)的枸杞苗生長長勢最好,整齊且高而壯,紅藍光(7∶9)次之,紅光下組培苗的株高增長量達到2.54 cm,藍光下枸杞的生長變化不大。姚立平[29]在研究中發(fā)現(xiàn)促進菩提樹組培苗不定芽再生的有利光質(zhì)是紫光和黃光,紅光和橙光則在促進菩提樹組培苗伸長效應(yīng)上最強。鄒英寧[30]認為紅光(30 d)+白光(30 d)組合或者白光(30 d)+紅光(30 d)組合能提高外植體增殖倍數(shù),生長較快,但葉片中間葉脈顏色突出,綠光(30 d)+白光(30 d)培養(yǎng)條件下,增殖倍數(shù)最低,長勢較差,在白光(30 d)+黑暗(30 d)和白光(30 d)+綠光(30 d)培養(yǎng)環(huán)境下,長勢較差,嫩莖抽長緩慢,黃化現(xiàn)象嚴(yán)重,外植體逐漸死亡。由上可知,植株在不同光質(zhì)組合及光質(zhì)的配比條件下其生長性狀都表現(xiàn)出明顯差異。
近年來,不少研究者采用不同光質(zhì)對植物離體再生培養(yǎng)進行根誘導(dǎo),結(jié)果表明光質(zhì)對根系的誘導(dǎo)及生長的效應(yīng)因光的波長、植物材料不同而差異較大。齊香君等[31]將黃芩的毛狀根接入MS液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)50 d后發(fā)現(xiàn),白光和藍光條件培養(yǎng)的毛狀根生物量無明顯差異,黑暗條件培養(yǎng)的毛狀根生物量達到最高,同時,藍光與黑暗條件培養(yǎng)的毛狀根為黃色,而白光條件培養(yǎng)的毛狀根為黃綠色。柳金鳳等[28]研究發(fā)現(xiàn),在紅、藍光(7∶9)條件下的枸杞苗生根率最高,且根數(shù)多而壯,在紅、藍光(7∶1)+白光下的枸杞生根率達到94.4%,較次于紅、藍光(7∶9),然而單色光效果均未有紅藍光組合明顯,紅光下試管苗生根快且多而密,但較細弱,藍光對枸杞生根的影響不大。何小弟等[24]發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)條件對菊花試管苗誘導(dǎo)生根效應(yīng)差異不顯著,僅品種間存在極顯著差異,雙因素互作效果差異亦不顯著。魏星等[26]研究證明紅、藍光(1∶1)對菊花組培苗根的誘導(dǎo)率最高,紅光及熒光處理下的根長最大,單色藍光處理菊花苗根系活力最大,紅藍光(1∶2)、紅光+藍光+綠光、紅光+藍光+遠紅處理的根系活力較低。李勝[32]等研究也證明短波光不利于葡萄試管苗的生根和生長,而長波光有利于難生根的試管苗生根。研究發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)對小蒼蘭試管苗誘導(dǎo)根有影響,紅光有利于根的分化和生長,白光使生根受到明顯抑制[33]。
國內(nèi)外就光質(zhì)對植物離體再生培養(yǎng)的影響已進行了大量的研究工作,但組培微環(huán)境控制技術(shù)有別于傳統(tǒng)組培技術(shù),它將整個培養(yǎng)環(huán)境看作一個微型生態(tài)系統(tǒng),對微型生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)指標(biāo)進行控制,如光、溫度、濕度等,來增強植株的光合自養(yǎng)能力。目前對不同光質(zhì)的研究多集中于生理生化方面,缺乏對光質(zhì)效應(yīng)的深入研究。因此,今后的研究應(yīng)該集中在以下兩個方面:一是采用多種研究方法,如分子生物學(xué)、細胞學(xué)等,并將其結(jié)合起來,以求全面了解光質(zhì)效應(yīng),為深入研究光質(zhì)效應(yīng)機理奠定基礎(chǔ)。二是擴大研究范圍,在對藍光、紅光等常見光效應(yīng)研究的同時,進一步研究其他非常見波長的光和不同光質(zhì)的配比在調(diào)控作物生長發(fā)育等方面的作用,不斷完善光質(zhì)效應(yīng)理論。如果把光質(zhì)效應(yīng)理論應(yīng)用于農(nóng)林作物、經(jīng)濟作物和觀賞植物等領(lǐng)域,可能會有助于新品種的選育、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)及觀賞植物的應(yīng)用價值。此外,最新研究發(fā)現(xiàn),光質(zhì)比例與光照強度可調(diào)的LEDs(尤其是紅光LED和藍光LED)比熒光燈能更有效地調(diào)控植物的光合作用,LEDs光照系統(tǒng)有望在未來代替熒光燈成為植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)光質(zhì),在實際生產(chǎn)中,如果使用LEDs成本能進一步降低,則應(yīng)用前景將更為廣闊。
[1]De Capite L.Action of light and temperature on growth of plant tissue culture in vitro[J].Am JBot,1955,42(10):869-873.
[2]馬 琳,劉世琦,張自坤,等.光質(zhì)對大蒜愈傷組織誘導(dǎo)、增殖及器官分化的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2011,20(6):118-122.
[3]劉 浩,李 勝,馬紹英,等.LED不同光質(zhì)對蘿卜愈傷組織誘導(dǎo)、增殖和蘿卜硫素含量的影響[J].植物生理學(xué)通訊,2010,46(4):347-350.
[4]黃麗華,洪亞輝,戴雄澤,等.光質(zhì)對辣椒離體愈傷組織誘導(dǎo)及分化的影響 [J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,35(6):614-617.
[5]焦海華,鐵 軍.不同光質(zhì)對一品紅幼莖愈傷組織的誘導(dǎo)和器官分化影響的研究 [J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)漢文版),2003,32(2):168-170.
[6]許桂芳,董誠明,周吉源,等.不同光質(zhì)對華黃芪愈傷組織誘導(dǎo)、增殖及器官分化的效應(yīng)[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1994,28(4):533-537.
[7]熊 麗,周吉源,殷榮華.光質(zhì)對石刁柏愈傷組織培養(yǎng)中生長和過氧化物酶的影響[J].武漢植物學(xué)研究,1995,13(3):253-257.
[8]毛學(xué)文,陳 荃.不同光質(zhì)對毛地黃愈傷組織誘導(dǎo)和增殖的效應(yīng)[J].植物學(xué)通報,1997,14(1):55-56.
[9]王亞麗,王曉東,趙 兵,等.光質(zhì)對瑪咖愈傷組織生長、分化的影響[J].工程學(xué)報,2007,7(4):7 82-785.
[10]梁鉀賢,陳 彪.光質(zhì)對甘蔗愈傷組織分化出苗的影響[J].中國糖料,2006,(3):9-11.
[11]郭君麗,李明軍,張嘉寶.光質(zhì)和NAA組合對懷山藥葉片脫分化的效應(yīng)[J].浙江萬里學(xué)院學(xué)報,2002,15(1):58-60.
[12]劉 媛,李 勝,馬紹英,等.肉桂酸和不同光質(zhì)對葡萄愈傷組織增殖及白藜蘆醇累積的效應(yīng) [J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,45(1):41-46.
[13]趙德修,李茂寅,邢建民,等.光質(zhì)、光強和光期對水母雪蓮愈傷組織生長和黃酮生物合成的影響 [J].植物生理學(xué)報,1999,25(2):127-132.
[14]Seibert M,Wetherbee P J,Job D D.The effeets of light inrensity and speetral qualiry on growth and shoot initiation in tobaeeo callus[J].Plaot Physiol,1975,56:130-139.
[15]蘇秀紅,董誠明,王偉麗.光質(zhì)對冬凌草再生植株生長及次生代謝產(chǎn)物的影響[J].時珍國醫(yī)國藥,2010,21(1):3278-3279.
[16]羅曉錚,董誠明,葉 娟.光質(zhì)對冬凌草無菌苗生長及冬凌草甲素含量的影響[J].時珍國醫(yī)國藥,2012,23(2):405-407.
[17]Kim S,Hahn E J,Heo J W,et al.Effect of LEDs on net photo synthetic rate,growth and leaf stomata of chrysan the mum plantlets in vitro[J].Sci Hort,2004,101:143.
[18]Yanagi T,Okamoto K,Takita S.Effect of blue,red and blue/red lights on two different PPF levels on growth and morphogenesis of lettuce plants[J].Acta Hort,1996,440:117.
[19]Kong SS,Hosakatte N M,Jeong W H,et al.The effect of light quality on the growth and development of in vitro cultured Doritaenopsis plants[J].Acta Physiol Plant,2008,30:339.
[20]高亭亭,斯金平,朱玉球,等.光質(zhì)與種質(zhì)對鐵皮石斛種苗生長和有效成分的影響[J].中國中藥雜志,2012,37(2):198-201.
[21]趙玉國,吳沿友.光質(zhì)對組培苗葉綠素含量和碳酸酐酶活性及生長的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,16(4):16-18.
[22]Meijer G.Some aspects of plant irradiation[J].Zcta Hortic.Interm.Soc.Hortic Sci,1971,22:103-108.
[23]余讓才,潘瑞熾.藍光對水稻幼苗生長及內(nèi)源激素水平的影響[J].植物生理學(xué)報,1997,23(2):175-180.
[24]何小弟,裴建文,黃春華.菊花組織培養(yǎng)中的光質(zhì)效應(yīng)研究[J].江蘇林業(yè)科技,2002,29(6):26-28.
[25]邸秀茹,焦學(xué)磊,崔 瑾,等.新型光源LED輻射的不同光質(zhì)配比光對菊花組培苗生長的影響 [J].植物生理學(xué)通訊,2008,44(4):661-664.
[26]魏 星,顧 清,戴艷嬌,等.不同光質(zhì)對菊花組培苗生長的影響[J].園藝園林科學(xué),2008,24(12):344-349.
[27]楊長娟,凌 青,任興平,等.LED不同光質(zhì)對洋桔梗組培苗增殖的影響[J].北方園藝,2011,(18):154-156.
[28]柳金鳳,伍會萍,劉曉剛,等.不同光質(zhì)對枸杞試管苗生長的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(22):109-113.
[29]姚立平.不同光質(zhì)對菩提樹組培苗生長發(fā)育的影響[J].遼寧林業(yè)科技,2011,(6):21-23.
[30]鄒英寧.不同光質(zhì)對中國李“海灣紅寶石”莖段組織培養(yǎng)的影響[J].福建林業(yè)科技,2011,38(2):107-110.
[31]齊香君,李 雅,施春陽.光質(zhì)對黃芩毛狀根生長及黃芩苷含量的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(6):334-3411.
[32]李 勝,李 唯,楊德龍,等.不同光質(zhì)對葡萄試管苗根系生長的影響[J].園藝學(xué)報,2005,32(5):872-874.
[33]車生泉,盛月英.光質(zhì)對小蒼蘭莖尖試管培養(yǎng)的影響[J].園藝學(xué)報,1997,(3):269-273.