（农业生物环境与能源工程专业论文）组培箱微环境中光及COlt2gt调控的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 采用新型组培设施及先进的组培微环境调控技术，是实现组培育苗自动化、 工厂化、规模化的必要途径。然而组培微环境中各种因子对组培苗生长发育的影 响目前还不是很清楚，相关的环境调控系统亟待开发。为了研究组培微环境中光 照因子( 光质、光强) 对组培苗生长发育的影响，本研究采用l e d 光源作为新型 组培光源，开发了一套基于单片机的组培箱微环境中光控制系统，该系统能使组 培箱中光质( 红、蓝、白) 、光强( 白光0 1 9 6 1 u n o l 佃产篙，红、蓝光0 1 1 2 1 a m o l 舡i 2 弓4 ) 调控到设定范围。 本研究设计了作为组培光源的l e d 光源板，并对l e d 光源作为组培光源进行 了特性分析，同时与普通日光灯光源进行了光源效果的对比研究；通过试验模拟 出了l e d 光源板光强与电压的关系曲线；设计了以单片机为控制核心的组培箱微 生态环境中光及c 0 2 控制系统，并开发了光控制系统。通过人机交互界面将设定 的光强、光质传递给控制器，控制系统将自动调节组培箱内光强、光质；通过实 验研究了调节光照对组培苗生长发育的影响。 结果表明：l e d 光源作为组培光源比传统日光灯具有强大的优势，l e d 光源 处理后的组培苗比普通日光灯处理的具有更好的光合自养能力；光质、光强控制 完全可行；诸葛菜和红叶石楠组培苗c 0 2 交换速率最高的均为蓝光l e d ，分别达 到2 1 1 0 n m o l m i n g 和1 4 3 0 n m o f m i n g 。三种l e d 光源处理下的组培苗叶绿素含 量也都比传统组培的曰光灯处理下要高。同时，诸葛菜组培苗的碳酸酐酶活性要 远强于红叶石楠组培苗，其中，蓝光l e d 处理的诸葛菜组培苗的碳酸酐酶活性最 强，达到2 2 7 4 6 f w u g f w 。光强的影响试验表明：诸葛菜和红叶石楠组培苗的c 0 2 交换速率和实际光合速率都是随着光强的增强而增高，在光强相同的情况下，诸 葛菜组培苗的实际光合速率都要高于红叶石楠组培苗。 关键词：植物组织培养l e d 光源单片机光照控制 江苏大学硕士学位论文 a d o p t i n gn e wk i n do fe s t a b l i s h m e n ta n da d v a n c e dm i c r o e n v i r o n m e n tc o n t r o l t e c h n i q u ef o rt i s s u ec u l t u r ea r ei n d i s p e n s a b l ea p p r o a c hf o ra u t o m a t e di n d u s t r i a l 。s c a l e t i s s u ec u l t u r e b u tt h e r ea al o to fc o m p l e x e dp r o b l e m sa b o u tt h ee n v i r o n m e n t a l f a c t o r sw h i c he f f e c t e dt h eg r o w t ho f p l a n t l e t s ，s oi ti su r g e n tt od e v e l o pe n v i r o n m e n t a l c o n t r o ls y s t e mw h i c ha d a p tt ou i np l a n tt i s s u ec u l t u r e t or e s e a r c ht h ee f f e c to f i l l u m i n a t i o no nc u l t u r ep l a n t l e t s ，le di sa d o p t e dt ou s ef o rt i s s u ec u l t u r el a m p - h o u ， d e v e l o p e dam i c r o - e n v i r o n m e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i n g l e c h i p ，w h i c hc a nc o n t r o l l i g h tq u a l i t y ( r e d , b l u e ，w h i t e ) ，l i g h ti n t e n s i t y ( w h i t eo 一1 9 6 1 a m o l m - z 。s ，r e d ，b l u e 0 1 1 2 岬o l m - 2 s - 1 ) l e dl i g h t - h o u s eu s e df o rt i s s u ec u l t u r ei sd e s i g n e d , a n dt h el i g h t - h o u s e c h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y s e d m e a n w h i l e ，t h ec o n u a s tr e s e a r c ho ft h ef i g h t - h o u s ew i t h c o m m o nf l u o r e s c e n tl a m pi sc a r r i e do i l t h er e l a f i o nc m _ r v eb e t w e e nt h el e dl i g h tp l a n k l i g h ti n t e n s i t yw i t ht h ee l e c t r i cv o l t a g ei ss i m u l a t e db ye x p e r i m e n t s ；ac o n t r o ls y s t e m a b o u tl i g h ta n dc 0 2i sd e s i g n e db a s e do ns i n g l e c h i p ，a n dt h es y s t e ma b o u tl i g h tc o n t r o l i s d e v e l o p p e d ；t h eu g h ti n t e n s i t ya n dt h el t g h tq u a l h yv a l u e s8 i ed e l i v e r e dt o t h e c o n t r o l l e rp a s s i n gt h ec o m m u n i c a t i o no ft h ec a l c u l a t o ra n ds i n g l e c h i p ，t h ec o n t r o l s y s t e mw i l lr e g u l a t et h el i g h ti n s i d et h eb o xa u t o m a t i c a l l y ；t h el i g h ti n f l u e n c eo nt h e g r o w t h o fc u l t u r ep l a n t l e ti ss t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tl e dl a m p - h o u s eh a sl o t so fa d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t h t h eg e n e r a ld a y l i g h tl a m p ，t h ec u l t u r ep l a n f l e tu n d e rl e dt i g h th a ss t r o n g e rp h o t o a u t o - t r o p h i ca b i l i t yc o m p a r e d w i t h g e n e r a ld a y l i g h tl a m p ；l i g h t 啪b e c o n t r o l l e d c o m p l e t e l y t h eh i g h t e s tp h o t o s y n t h e t i cr a t eo fo r y c h o p h r a g n m sv i o l a c e u sa n d p h o l i n i a f r a s e r i v a ri sr e dl e d ，r e s p e c t i v e l y - 2 1 1 0 n m o l h i n ga n d 1 4 3 0 n m o l g i n g c h l o r o p p h y l l c o n t e n to ft i s s u ec u l t u r ep l a n f l e td e a l e dw i t hl e di sa l s oh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a ld a y l i g h t l a m p a n d , t h ea c t i v i t i e so fc a r b o n i ca n h y d r a s e i no r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u sa r e s t r o n g e rt h a np h o l i n i af r a s e r i v a r , e s p e c i a l l yu n d e rb l u e l e di st h es t r o n g e s tt o 2 2 7 4 6 f w u g f w t h ec 0 2e x c h a n g i n g r a t ea n da g t l l a l p h o t o s y n t h e t i c r a t eo f o r y c h o p h r a g n m sv i o l a c e u sa n dp h o l i n i af r a s e r i v a rg e th i g h e ra st h el i g h ti n t e n s i t yg e t s s t r o n g e f a tt h e 咄l i g h ti n t e n s i t yc o n d i t i o n , t h e a c t u a l p h o t o s y n t h e t i c r a t eo f o r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u si sh i g h e rt h a nt h a to f p h o l i n i a f r a s e r i v a rp l a n f l e t k e yw o r d s ：p l a n tt i s s u ec u l t u r e ：l e dl a m p - h o u 船；s i n g l e - c h i pc o m p u t e r ：l i g h tc o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：醵l 盘指导教师签名：荔j 钐舌 “存岁月j 。日 刊旬年) 月；。日 | 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 丑 日期：岬年；月? 口口 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 植物组织培养的概念 植物组织培养( p l a n tt i s s u ec u l t u r e ) 是指通过无菌操作，把植物的各类结构材料， 即外植体( e x p l a n t ) ，接种于人工配制的培养基上，在人工控制的环境条件下进行培 养的一套技术与方法，又称为植物离体培养( p l a n ti nf i t r oc i l l t u r e ) ，或称为植物的细 胞与组织培养【l 】。与“动物克隆”相对应，许多学者又将植物组织培养形象地称为 “植物克隆”口孔。从广义上讲，植物的组织培养不仅包括在无菌条件下利用人工 培养基对植物的培养，而且还包括对原生质体、悬浮细胞和植物器官的培养。 1 2 植物组织培养的意义和作用 由于组织培养可以通过植物的组织和细胞，培养出完整的植株，因此，可以 在育种上打破常规，在栽培上加速繁殖【4 】。组织培养以其自身的突出优点在以下几 个方面起到了积极的作用： ( 1 ) 植物的组织培养技术在遗传育种中可以加速无性系或有性系的繁殖，加速 优良品种和新品种的推广，并缩短育种周期；同时还能获得常规育种难以或无法得 到的新基因型，创造新的品种或物种，并可以克服杂交育种中存在的某些障碍。 ( 2 ) 植物组织培养技术在作物栽培上可以用来加速优良品种的繁殖( 如：兰花 的一个外植体一年可繁殖4 0 0 万个原球茎睁，培养无病毒苗( 如：应用茎尖培养技 术可以繁殖和保存经过病毒鉴定的无病毒栽培品种1 ，培育整齐一致的试材。 ( 3 ) 与田问保存种质相比，植物组织培养用于种质保存及交换可以节省大量土 地、人力和物力，而且手续简便。极易长途运输，便于国际间交流。 ( 4 ) 植物组织培养中的外植体之所以能够成活，关键在于培养基，因此对培养 基营养成份和对由培养基引起的组培苗的生理形态上的变化的研究，对生理学本 身就是一种有力的推动。 ( 5 ) 利用植物的组织培养技术可以用来合成对人类有益的化合物，而且应用组 培技术往往比用化学方法来得容易和经济，目前，有些化合物如：蛋白酶抑制剂、 抗病毒物质和抗生素己经进入了商品化生产，产生了可观的经济效益。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外组培苗微生态环境控制的研究现状与发展趋势 1 2 1组培苗微生态环境的研究现状 组织培养技术自诞生以来，在一段很长的时间内，生物学家们都注重于研究 组培苗的内部生理机制，寻找促成器官形成的激素，完善培养基的营养配比，以 及探索不同的离体培养途径和组织培养技术，而很少研究由于组培过程中特殊的 生长环境对组培苗生长造成的生理影响，很少重视在组培过程中实施微生态环境 的调控。直到二十世纪7 0 年代末踟年代初，才开始有学者提出改善组培苗生长 环境方面的观点，而真正引起普遍重视和实质性研究则是在年代末以剧6 】。然 而由于传统的组培容器小，且密封要求严格，造成对环境因子的测量和调控十分 困难。长期以来，关于组培微环境因子控制技术的研究一直受到限制。总的来说， 对组培微生态环境的研究国内外还处于一种探索阶段，尚未形成一套系统的理论。 造成上述这种局面既有其内因也有其外因，内因是组培过程中组培苗所需的 各种激素和营养成份( 微观生长环境) 对组培苗自身的生理机制和组织结构所造成 的影响尚不十分清楚，有待生物学家对其机理和它们之间的相互关系作出进一步 的研究；外因则是由于对组培苗生长环境( 宏观生长环境1 的研究规模尚有很大的不 足，对组培环境中的温度、光照、湿度和二氧化碳等环境因子，很大程度上还停 留在其对组培苗引起的表观现象变化的研究上，没有上升到生理生化的高度，缺 乏对组培苗由于各环境因子变化而引起的生理和组织结构的变化的研究，这对组 培苗的生态环境实施调控缺少足够的理论依据。 目前，组培苗的培育基本上是在外加人工光源并适当控制温度的组培室内进 行，小苗则生长在一个个密闭的小玻璃瓶或是其它小型容器里，这种密闭环境大 大地制约了容器内外的气体交换据日本的k o z a i 等研究发现，在传统的组培方式 下，小苗接受光照后不久( 一般在光照后一个小时) ，瓶子内的c 0 2 浓度就下降到作 物光合作用的平均补偿点( 5 0 p p m 左右) 以下，以后就一直维持在这个水平，使组培 苗处于c 0 2 饥饿状态【7 。，因此，在传统的组培方式下必须在基质中外加糖作为组培 苗生长所必须的碳源，这使小苗的光合自养作用受到了严重抑制，小苗主要以异 养的方式进行生长【8 l 。组培基质中搪的存在是组培苗遭受杂菌污染的主要原因，为 了防止污染，不得不进行繁琐的手工灭菌，增加了劳动强度，提高了培育成本。 2 江苏大学硕士学位论文 因此，研究通过增强光照、提高c 0 2 浓度等改善组培室微环境以达到无( 少) 糖 培养，对防止组培苗污染，降低培育成本就具有非常重要的学术和经济意义。 另外，因为组培苗生长在组培室、无菌、受保护的环境中，其光合作用所需 光能完全依赖于人工光源，光照能耗费用是构成组培苗总成本的主要因素之一。 组培苗生长在透光容器中，并置于多层架上，呈立体栽培模式，由此引起的层间 遮光、同层容器间遮光和容器自身对苗的遮光现象，致使组培苗的受光特性完全 不同于温室作物。目前组培室光照光源的应用完全借鉴了温室补光的原理和经验， 使得组培苗生长在有效生理辐射【9 1 明能量极不充分的环境中，致使幼苗的光合自 养生长受到抑制，生长缓慢；幼苗品质差，移栽成活率低；进而引起幼苗成本上 升。因此关于组培室光照控制应用的研究，对降低幼苗成本和促进组培苗的商品 化发展具有重要的意义。 目前，组培苗的规模化、商品化应用仍受到其高成本、高费用的限制。组培 育苗的目标是要以较低的成本，大量生产基因同一、生长一致、发育正常、无病 毒或少病毒和驯化期短的幼苗。组培环境自动控制技术和培养设施的进步是大规 模降低组培苗生产成本的基础性手段和主要途径。长期以来，关于环境因子的控 制技术及其效果的研究一直受到限制。这主要是由于传统的组培容器小，且密封 要求严格，造成对环境因子的测量和调控十分困难。 目前关于组培苗微生态环境的控制主要以单因子和两因子的控制为主 1 1 - 1 3 】， 单因子控制主要是c 0 2 浓度、光照、温度、湿度等的控制，两因子控制主要是控 制两种气体环境因子以及一种气体环境因子和一种根圈环境因子。近年来国内外 也出现了一些关于组培多因子综合控制的报道。现已发现含叶绿体的组培苗具有 显著的光合作用能力f 1 4 】。如果环境条件得到适当控制，组培苗在光合自养条件下， 比在异养或兼养条件下生长得更好。如果组培苗的微生态环境能够得到有效控制， 必将促进其生长发育，使组培苗在组培阶段和驯化阶段生长发育的更快、更好、 活力更强，能进一步降低生产成本。 对c 0 2 的控制最早的是1 9 8 6 年m o u s s e a u 首次对西红柿组培苗进行了二氧化 碳富集处理，发现进行光合兼养的苗( 基质中含糖) ，其干物重积累增加了3 1 ，而 进行光合自养的苗偿 质中不含糖) ，其干物重积累却增加了1 0 0 【1 5 1 。随后，各国 的科研工作者对组培过程中增施c 0 2 和增强光合光量子流口p f ) 方面作出了积极的 3 江苏大学硕士学位论文 探索，日本的k o z a i 、f u j i w a r a 、加拿大的d e s j a r d i n s 等都发现c 0 2 富集和高的光 合光量子流对促进小苗的生长和增加干物重的积累起到积极的作用【1 6 堋。日本的 k o z a i ( 1 9 9 8 ) 【1 1 1 等以及m a t t h i e u ( 1 9 9 1 ) 【堋等分别研制了连续测量组培苗c 0 2 交 换速率的装置，仅能研究单一气体因子，即c 0 2 浓度，对组培苗光合速率的影响 以寻求适宜的c 0 2 浓度控制参数。 我国南京农大的丁为民、丁永前等采用有机玻璃作组培箱体材料，组培苗直 接定植于箱体内，并对箱体内组培苗实施c 0 2 浓度监控。用“赤霞珠”葡萄组培苗 所作的无糖对照实验结果表明：与传统设施环境相比，在该设施中生长的葡萄组培 苗的叶面积、茎粗和枝高分别增长9 0 o 、7 6 6 和6 2 8 【1 9 1 。这是国内首次报道 运用工程技术手段，实现组培苗生长发育的微环境控制，促成其光合自养。 对光照的控制包括对光强、光质、光周期的控制三方面。光强主要以p p f d 来 衡量，一般来说，植物的光合作用会随着p p f d 的增加而增强，然而当达到光合作 用的饱和点后光合作用却反而下降瑚l 。容器内外的p p f d ，由于受到容器及其顶盖 的材质、形状、密封方式【2 l 】和组培容器空间排列方式 2 2 1 的影响，而有很大的不同。 传统的组培光源都是安放在容器正上方，随着组培苗的生长，被上层叶片遮断拦 截的光能不断增加，只有少部分的光能到达下层叶片，而采用侧向光照系统能够 避免上述问题。1 9 9 2 年，日本的k o z a i 、k i n o 等在传统的顶向光照的基础上增加 了侧向光照，与传统的顶向光照相比，它提高了空间和光合有效辐射的利用率， 并发现培养出的组培苗长得粗壮，更有利于组培苗移栽后的生长1 2 3 2 4 。我国南京 农大的徐志刚等【2 5 】于2 0 0 2 年设计了一套能调节光照度的组培装置，在顶向光照的 同时增加侧向光照，通过调节亮灯个数达到了调节光量子通量的目的。 控制组培苗的光质和光周期也影响茁的生长。m o e ( 2 0 0 2 ) 等1 2 6 1 ，s e i b e r t 等 2 7 1 分别对黄瓜、烟叶组培苗进行光质调节照射发现黄瓜增加蓝光照射可降低株高， 而增加红光照射则使光合产物较多的转运到叶片；而发现增加红光照射对烟叶组 培苗有促进发根的作用，蓝光和近紫外光有促进芽的发生和愈伤组织增重的作用。 m o r i n i ( 1 9 9 0 ) 等发现在f f p d 较大的情况下，与1 6 h 光期、8 h 暗期的光周期相比， 经4 h 光期、2 h 暗期处理的桃树苗生长的更好田】。 温度是构成组培微环境的重要环境因子，直接影响到组培苗的生长。每一种 组培苗都有适宜生长的温度，高温会降低组培苗的光合作用，引起光合“午休”， 4 江苏大学硕士学位论文 抑制其生长。目前国内外研究组培苗温度环境影响的还很少，我国南京农大的徐 志刚等 2 9 1 发现在组培室恒温的大环境下，光源是引起温度升高的唯一因素，并在 2 0 0 2 年设计了一套光温控制系统，通过阻断热对流等方式，有效地控制了内环境 的温度。1 9 9 2 年日本的k o z a i 掣3 0 1 研究了变温管理对组培苗影响作用。在日平均 温度为2 0 的情况下，分别设定3 个不同的温差的变温管理，结果表明，苗的高 度随温度差值的增大而增大，与光强不显著相关；干重和鲜重不受温差值的影响。 目前国内外对控制组培微环境中的相对湿度的研究相对来说还很少，一般都 认为在传统的组培环境中，高湿( 相对接近1 0 0 ) 环境会造成气孔开闭功能的丧失， 并有利于菌类的生长。而对这种高湿环境引起组培苗形态和生理上的变化的研究 却少有报道。1 9 9 2 年，t a n a k a 等利用不同盐类的饱和溶液获得不同的相对湿度， 对西红柿苗进行了对照实验，实验结果表明；相对湿度高，叶片气孔导度高，0 0 2 在叶片中的扩散率高，净光合速率也高；相对湿度低时，则反之1 2 9 。k o z a i 等0 9 9 3 ) 对马铃薯组培苗做了不同湿度条件下的生长实验，观察到苗的长度与相对湿度r h 呈负相关，单位干重叶面积与r h 呈正相关，而干重与r h 无明显相关阱j 。 前面提到的是对组培苗单因子控制一些的国内外研究现状，然而目前也出现 了一些对组培苗多因子控制的研究。 采用透气性好的容器作组培容器，即可通过控制组培室内的c 0 2 浓度和相对 湿度，来降低容器内的相对湿度和提高容器内的c 0 2 浓度，促进组培苗更好地生 长减少玻璃苗产生的可能性。该方法已进入实用阶段 3 2 1 。 日本千叶大学开发出一套具有强制通风功能的大型组培设施，该设施的环境调 控系统能够控制组培苗生长环境中的光照度、c 0 2 浓度、温度和相对湿度。与传统 组培设施相比，生长在该设旌内的草莓组培苗的干重与跏都显著增加 3 2 1 。 k o z a i 和f u j i w a r a 制出既能控制气体环境又能控制培养基化学成分的组培设 施【1 9 1 ，在该设施中培养草莓组培苗，其跏是对照组的4 倍以上，2 8 天后的干重 是对照组的1 7 倍。 我国南京农大的的徐志刚等例在2 0 0 2 年设计开发了一套半开放式的中小型组 培设施及其环境自动化调控系统，通过对组培箱内的c 0 2 浓度、光照度和相对湿 度的调控，实现了对组培容器的间接调控。对其内的叶用甘薯组培苗实施综合环 境调控，显著提高了苗的光合作用能力，促进了植株生长。 5 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 4 年，中国农大的李传业、藤光辉等【3 3 】以p l c 为控制核心，设计了一套能 对组培箱内c 0 2 浓度、相对湿度进行调控的组培微环境控制系统。系统调试试验 结果表明，控制系统能将光期组培箱c 0 2 摩尔分数和相对湿度分别控制在 7 0 0 - 9 0 0 m 0 1 m o l 1 和8 0 - 9 2 的目标范围内，达到了预期效果。 从国内外总的研究状况来看：关于组培微环境控制方面的研究尚处于起步阶 段，目前，国内外关于组培苗微生态环境控制的研究主要是以控制单因子的c 0 2 为主，虽然也零星出现过一些对光强、光质、温度、湿度等控制研究的报道，但 也只是指出通过控制这些环境因子能促进组培苗生长，以及适宜组培苗生长的环 境因子等，尚还没有发现过通过工程技术手段对组培苗的光强、光质0 0 2 浓度同 时进行有效的控制的相关报道。 1 2 2 组培苗微生态环境控制的发展趋势 建模和生态系统的计算机模拟将在未来的组织培养中成为一个新兴的研究领 域【3 4 】。随着当前各学科的交叉融合，对组培苗微生态环境控制的研究必然需要生 物学科和工程学科加强联合，尽快能够创建出组培苗的生态系统模型，以达到组 培苗生产的自动化和工厂化。目前生态系统的模拟模型广泛应用于大田、温室作 物的产量预测、作物育种、田间生产管理等，像p e n n i n gd e v l r e s ( 1 9 8 9 ) 等运用 作物生长模型对春小麦在泰国、菲律宾、印尼种植的可行性及生产潜力进行了研 究【3 卯。a e , g a r w a l ( 1 9 9 6 ) 提出了水稻的育种的生长模型口们。然而把建模运用到组 织培养中目前还未见报道。 在以后的组培苗微生态环境控制的研究中，无糖组培的微环境环境控制必然 会得到迅速的发展。通过控制根际环境，实施无糖或低糖培养，不仅能促进组培 苗的生长发育，提高品质，而且能抑制污染菌的生长繁殖，降低组培苗的损失率。 无糖培养微繁殖技术改革了传统的用糖作为碳源营养的技术方法，增加了植物生 长和生化反应所需的物质流的交换和循环，减少和省略消毒、驯化等过程，实现 组培苗的低成本生产，而且可以显著缩短培养周期。此外，无糖培养还有利于实 施环境的自动化监测和控制，实现生产管理自动化，使组培苗生长的更易、更快、 更好。国外( 主要是日本) 早在年代初就开始大力研究无糖培养的环境控制， 而我国这方面的研究还很少，无糖培养在降低生产成本、实行自动化控制方面都 明显优于有糖培养，在未来的研究中必然有着广阔的发展前景。 6 江苏大学硕士学位论文 积极探索新型组培光源代替传统光源。由于传统组培光源发热量大，能耗高 等缺点，新型组培光源( 如：发光二极管( u d ) 光源) 必将代替传统光源。利 用发光二极管作为植物生长的光源，国外( 主要是日本) 已经有一些学者开始了 这方面的研究，而国内几乎未见报道。如：t a n a k a ( 1 9 9 8 ) 等利用l e d 作为兰花 组培苗光源，发现利用新型l e d 光源比传统光源明显促进组培苗生根和生长 3 7 1 。 发光二极管属于冷光源，体积小、不易碎、单色性好、寿命长，其性能远优于常 用的光源如荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯 3 s l 。由于发光二极管体积 小，可直接安装在培养容器上，可大大节省空间，比传统方法增加有效培养室空 间3 倍以上；而且耗能低，几乎不发热，便于组培室的温度控制，节约能源；最 显著的特点是单色性好，红、蓝发光二极管产生的红光和蓝光能显著影响植物生 长口9 1 。新型l e d 光源因其具有着高效、节能、栽培成活率高等优点，将成为未来 的组培光源的发展方向。 1 3 本课题研究的目的和意义 本课题研究的目的就是想通过对l e d 光源作为组培光源进行特性分析及对照 试验研究l e d 光源对组培苗生长的影响。同时，对影响组培苗生长的光照( 包括 光强和光质) 进行有效的控制，建立起一套可控光质、光强的组培箱微环境控制 系统。 本研究既具有很强的学术意义，同时也具有很强的现实意义。提出新型l e d 组培光源及其调控系统，并与传统日光灯进行对照实验研究，为以后进行组培微 生态环境的多因子综合调控提供了实验和理论依据：同时采用了可控的、节能的 新型光源，降低了组培苗的成本，有利于促进组培苗的商业化和生产的工厂化、 自动化。 1 4 主要研究内容 在国外，尽管许多学者在二十年前就开始注意到微环境对组培苗生长的影响， 但由于种种原因，这方面的研究工作长期没有突破。直至近年来，由于学科的交 叉，工程技术人员的加入，研究工作才得以逐步进行。而在国内，组培苗微生态 环境对组培苗生长的影响及其调控的问题已经引起一些初步关注，组培设施与微 7 江苏大学硕士学位论文 环境控制的研究刚刚起步。 本课题主要致力于对l e d 光源作为组培光源进行了特性分析以及对照实验研 究，设计了一套组培箱中光及c 0 2 调控系统，由于光的调控及对组培苗生长的影 响研究的较少，所以本课题同时开发了一套对组培微环境中光因子的控制系统。 并且对开发的光控制系统进行了实验研究。具体主要包括以下几个方面： ( 1 ) l e d 光源作为组培光源的特性分析 ( 2 ) 组培微生态环境中光及c c h 控制的整体方案设计 ( 3 ) 光源控制系统的设计开发 ( 4 ) 试验验证与分析 8 江苏大学硕士学位论文 第二章l e d 发光管作为新型组培光源的特性分析 发光二极管( 1 i g h t - e m i t t i n gd i o d e ，简称u d l 是一种能将电能转化为光能，在可 见光，红外范围内，通过p - n 结或异质结注入，由自发辐射非相干光的固体发光 器。发光二极管属于冷光源，体积小、不易碎、单色性好、寿命长，其性能远优 于常用的光源如荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯 4 0 l 。由于发光二极管 体积小，可直接安装在培养容器上，可大大节省空间，比传统方法增加有效培养 室空间3 倍以上；而且耗能低，几乎不发热，便于组培室的温度控制，节约能源： 最显著的特点是单色性好，红、蓝发光二极管产生的红光和蓝光能显著影响植物 生长【4 l 】。应用新型发光二极管( l e d ) 光源作为植物生长的光源，国外已经有一 些学者开始了这方面的研究 4 2 a 3 1 ，而国内几乎未见报道。如：t a n a k a ( 1 9 9 8 ) 等利 用l e d 作为兰花组培苗光源，发现利用新型l e d 光源比传统光源明显促进组培苗 生根和生长【4 2 l 。而且，与传统组培光源相比，新型l e d 光源因其具有着高效、节 能、良好的可控制性等优点，必将成为未来的组培光源的发展方向。 2 1l e d 发光管的主要物理参数 表2 - 1l e d 发光管的主要物理参数 t a b 2 - 1 p r i m a r yp h y s i c sp a r a m e t e ro f l e d 如表二1 所示，三种l e d 发光管的直径均为5 m m , 光强度白光最强达到 1 5 0 0 0 m c d ，而红、蓝光只能达到6 0 0 0 m e d ，这主要是发光二极管内部芯片制造工艺 的原因造成的。在稳定发光、额定工作状态下，红色发光二极管l e d 的压降一般 为2 0 伏左右，而蓝色、白色发光二极管l e d 的压降一般在3 _ 5 伏左右。表2 - 1 中 所列发光二极管l e d 的额定电流都为2 0 毫安，这也是由于发光管内部芯片的制 造工艺所决定的，目前大多数发光二极管的额定电流也都为2 0 毫安。本试验所选 的发光二极管波长范围都分别是目前在三种光中技术较成熟的，而且所达到的光 9 江苏大学硕士学位论文 强度比较高。 2 2 l e d 光源板的设计 l e d 光源板的设计主要包括光源板整体设计和光源板电路设计。整体设计主 要是外形尺寸的设计以及发光管的布置等，整体设计要使光源板和组培箱相匹配， 同时也要选择一种常用尺寸规格的电路板；光源板电路设计是要符合对光源光质 和光强控制需要，同时要保持发光管发光稳定。 2 2 1l e d 光源板的整体设计 目前使用的电路板主要有长方形和圆形两种，圆形电路板的制版费用较长方 形电路板贵很多，而且方形电路板便于电路的布置，所以本研究选用了长方形电 路板。同时，根据目前较常用的规格以及控制的需要，选用了三块1 5 x 2 0 c m 2 的 电路板组合体。 发光管的布置采用的是白、红、蓝相间布置，每两个发光管接线脚中心间距 7 m m ，由于l e d 发光管体积很小，直径只有5 m m ，所以单开任何一种发光管都能 得到均匀稳定的光。 2 2 2l e d 光源板的电路设计 l e d 光源板电路包括三条总线路，分别连接白、红、蓝三种l e d 发光管，也 即电路板有三个输入输出端，能分别控制三种发光管。每条线路上发光管的 采取1 0 个串联，然后再并联的连接方式。然后再在每个串联电路上串联上适当的 电阻，串联电阻的目的是让其起到分压、过载保护的作用，同时调节每个串联支 路的电压，使三个输入端电压一致，方便调节以及电源选用。 由于蓝光、白光l e d 的额定电压为3 5 v ，而红光l e d 的额定电压为2 0 v ， 又因为是十个串联，所以蓝、自光l e d 端电压达到了3 5 v ，红光l e d 只有2 0 v ， 所以为了统一端电压就必须加电阻分压，根据电源的选用情况作者把端电压统一 为3 6 v 。再根据发光二极管额定工作电流为2 0 m a ，就可以根据欧姆定律计算出需 要串联的电阻阻值。 蓝、白光l e d 需要串联的电阻阻值r 1 ： r l - ( 3 6 3 5 ) 0 0 2 = 5 0q 江苏大学硕士学位论文 红光l e d 需要串联的电阻阻值l 也： r 2 = ( 3 6 - 2 0 ) 0 0 2 = 8 0 0 f 2 具体每一条线路的电路图如图2 - 1 所示： 致& o量。 盔淼盈 - 避b m _ b 一 - 图2 - 1l e d 的连接电路图 f i 9 2 1 c o n n e c tc i r c u i td i a 鲫o f l e d 2 3 l e d 光源板的特性分析 2 3 1l e d 集成光电板的光电特性 把不同型号的l e d 发光管分别集成到电路设计相同的电路板上，发现其光强 与电压均成明显的线性相关，而且不同发光管发光光强与电压关系也不同。图2 - 2 表示的是在距光源板1 5 c m 处光照度与电压的关系。 4 0 电压v 图2 - 2 光照度与电压关系 f i 9 2 - 2r e l a t i o n s h i pb e n i l l u m i n a t i o ni n t e n s i t ya n dv o l t a g e 在e x c e l 中进行一元线形回归分析，分别得到白、红、蓝三种一元线形回归方 1 1 江苏大学硕士学位论文 程。白光得到的回归方程：y = 7 7 8 0 5 x 2 0 9 5 7 ，经过显著性检验得到其相关系数的平 方r 2 = 1 。红光、蓝光的回归方程和相关系数的平方分别为 y = 1 6 1 4 5 x 2 0 1 2 2 ，r 2 - - 0 9 9 ；y = 2 8 2 8 8 x 8 0 0 5 3 ，s 2 - - 0 9 8 。因为三个相关系数都接 近于1 ，所以三种l e d 集成线路板发光光照度和电压间存在明显的线性相关。 所以通过在一定范围内调节电压，就可以很好地调节光照度。每一种作物都有适 宜生长的光照度，光照过强超过植物的光饱和点，会造成植物器官的不可逆损伤 4 3 l ，过低肯定也不利于作物生长。而传统的组培光源只是通过调节开关灯的个数， 达到调节光照度的目的，然而这就造成光源在空间上分布不均匀，在光源正下方 的组培苗所接受的光照度明显高于其它地方，这样的调节结果必然导致组培苗生 长发育的不均匀。而利用l e d 光源良好的光电特性能很好地解决传统的调节光照 度的方式对工厂化、自动化育苗带来的诸多问题。 2 3 2l e d 光源辐射光的衰减性 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 k8 0 0 0 越6 0 0 0 匿4 0 0 0 2 0 0 0 o 51 01 52 02 6 3 03 5 距i 耵c m 图2 - 3 光的衰减性与距离间关系 f i 9 2 - 3r e l a t i o n s h i pb e = t w e e lp h o t i ca t t e n u a t i o na n dd i s t a n c e 光在传播过程中，由于传播介质和距离的影响，光的强度将发生衰减。由图 2 - 3 可以看到，白光、红光的光照度随距离的增加而衰减的越来越缓慢；而蓝光的 光照度随距离的增加基本上成线性衰减。这是由于l e d 制造工艺决定了白、红光 散射角很小，光辐射传播方向是垂直法向发光，光聚集度高穿透性强，当离l e d 光源 板很近时，光强度会随距离增加而迅速下降，当距离增加到一定程度时，光源板 基本上变成散色角度较大的点光源，光强度就会衰减的缓慢。而蓝光l f _ d 本身由 于光散射角度较大，即使离光源板很近，光的聚集度也不是很强，所以蓝色l e d 光源板的光照度基本上与距离成线性衰减。在利用l e d 光源板作为组培苗光源时， 江苏大学硕士学位论文 合理利用不同光源衰减的规律，把组培苗放置在一定的位置，就能起到充分利用 光能，又能有效控制光衰减对组培苗光能吸收的影响。 2 3 3l e d 光源的透射性 由于组培苗生长在小瓶子里面，瓶口用薄膜封住，组培光源传递给组培苗的 光能有一部份要被组培容器反射或折射，组培苗吸收的光能只是光源发射光能的 一部分，所以瓶子内组培苗接收到的光辐射强度并不是实际测量得到的光强度。 每一种光的透射率( 瓶内的光照度与瓶外光照度的比值) 也都是不同的。分别对 红、蓝、白三种l e d 光源板以及传统日光灯进行瓶子内外光照度多次测量，具体 实验方法是采用破坏性实验，将组培瓶瓶底打破，在光照的同一位置分别进行瓶 内外照度测量六次，并进行统计分析计算最后所得的透射率结果如图2 4 所示。从 图2 - 4 看到，l e d 光源的透射性明显强于传统目光灯，其中红光l e d 光源板最强， 透射率接近0 7 0 。所以从光能利用等方面来说，l e d 光源板的光能利用率明显高 于传统日光灯，是一种新型高效节能的组培光源。 静 蓊 0 8 o 7 o 6 o 5 0 4 0 3 0 2 o 1 o卜 红光l e d篮光l e d白光l e d目光灯 光源种类 图2 - 4 不同l e d 光源及日光灯的透射率 t a b 2 - 4t r a n s m i s s i o nr a t eo f d i f f e r e n tl e da n dd a y l i g h tl a m p 2 3 4 l e d 光源的发射光谱特性 在太阳辐射中，对光合作用有效的是可见光。在可见光区域，不同波长的光 对光合速率的影响不同。植物体内不同光合色素对光波的选择吸收是植物在长期 进化中形成的对生态环境的适应，这使植物可利用各种不同波长的光进行光合作 用，如图2 - 5 所示，在光源的可见光光谱( 3 8 0 7 6 0 n m ) 中，波长为( 6 1 0 。7 2 0 1 1 l n ) 江苏大学硕士学位论文 时的辐射主要是红橙光，光合作用最强：波长为( 4 0 0 - 5 1 0 n m ) 时的辐射主要是蓝 紫光，起次等强度的光合作用 4 5 - 4 6 1 。这主要是因为光合色素的吸收光谱主要集中 在这两个区域嗍，如图2 - 6 所示。而光合作用的作用光谱与叶绿体色素的吸收光 谱是大致吻合的，这在图2 - 5 里也有很好的体现。 曼 | i 羧 缓 浚畿锄嘞 图2 - 5 不同光波下植物的光合速率( 植物生理学，1 9 9 2 ) f i 9 2 5p h o t o s y n t h e t i cs p e e do fd i f f e r e n tl i g h tw a v e ( p l a n tp h y s i o l o g y 。1 9 9 2 ) 同时，植物体的生长发育也受到光的调控，即光形态建成，根据最有效的光 谱区域，植物的光形态建成可以人为的分成两类：即红光反应和蓝光反应，调节 植物光形态建成的色素有光敏色素和隐花色素，光敏色素在植物形态建成反应的 生理作用方面，主要表现在：诱导开花、某些种子的萌发、茎叶的生长、叶的脱 落、根茎和鳞茎的形成、芽的形成、去黄化、去倒钩等方面；隐花色素在调节植 物生理作用方面，主要表现为：气孔的开启、延缓衰老、蛋白质含量的增加、向 光性、叶绿素的合成、叶绿体