ĐÈN LED (LIGHT-EMITTING DIODE) - NGUỒN SÁNG NHÂN TẠO TRONG NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO THỰC VẬT

Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ - Technology Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 393 BÀI TỔNG QUAN ĐÈN LED (LIGHT-EMITTING DIODE) - NGUỒN SÁNG NHÂN TẠO TRONG NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO THỰC VẬT Dương Tấn Nhựt, Nguyễn Bá Nam Viện Nghiên cứu Khoa học Tây Nguyên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 20.7.2014 Ngày nhận đăng: 30.8.2014 TÓM TẮT Ánh sáng là nhân tố quan trọng điều hòa sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Thực vật sử dụng ánh sáng như nguồn năng lượng để tổng hợp các hợp chất hữu cơ qua quá trình quang hợp, hay sử dụng ánh sáng như nguồn thông tin cho các chương trình quang chu kỳ, quang hướng động và quang phát sinh hình thái. Những đáp ứng này phụ thuộc vào cường độ, chất lượng ánh sáng (bước sóng), thời gian chiếu sáng và quang kỳ chiếu sáng. Vì vậy, có thể sử dụng ánh sáng nhân tạo để kiểm soát sự sinh trưởng và phát triển thực vật trong nhà kính và trong in vitro. Nhìn chung, đèn huỳnh quang là nguồn chiếu sáng chính trong nhân giống vô tính thực vật. Tuy nhiên, nguồn sáng này phát ra bước sóng từ 350 đến 750 nm, trong đó, có nhiều bước sóng không có lợi cho sự sinh trưởng của thực vật. Ngoài ra, đèn huỳnh quang còn tỏa nhiệt trong quá trình thắp sáng nên cần một lượng điện năng để làm mát phòng nuôi cấy. Đèn LED đã được chứng minh như nguồn sáng hiệu quả cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu cây trồng hoặc các hệ thống hỗ trợ tái sinh sinh học. Sử dụng đèn LED có thể chọn được bước sóng phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, qua đó có thể nâng cao năng suất sinh học một cách tối đa. Đã có một số lượng lớn các nghiên cứu ứng dụng chiếu sáng LED trên thực vật. Các nghiên cứu tập trung đến sinh lý, sinh hóa cây trồng như kéo dài thân, tái sinh chồi bên, chồi bất định, hình thành phôi vô tính, tổng hợp các hợp chất thứ cấp dưới hệ thống chiếu sáng LED. Trong bài tổng quan này sẽ khái quát lịch sử ra đời và quá trình phát triển cũng như ứng dụng của đèn LED trong nuôi cấy mô tế bào thực vật và canh tác cây trồng. Từ khóa: LED, nhân giống vô tính, phát sinh hình thái, quang hợp, sinh trưởng và phát triển GIỚI THIỆU Ánh sáng là yếu tố quan trọng trong sự sinh trưởng của thực vật: ánh sáng tác động đến quá trình quang hợp, quang phát sinh hình thái và đáp ứng hướng sáng. Sự đáp ứng này phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, chất lượng ánh sáng và thời gian chiếu sáng. Việc nắm vững tác động của ánh sáng đến quá trình sinh lý thực vật có thể điều khiển được sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng trong nhà kính cũng như trong điều kiện in vitro. Tuy nhiên, năng lượng phục vụ cho quá trình thắp sáng chiếm đến 65 và làm mát chiếm đến 25 trong tổng năng lượng của một quy trình nhân giống. Vì vậy, một trong những vấn đề cần thiết để thiết lập một quy trình công nghệ nuôi cấy mô tối ưu và tiết kiệm chi phí, chính là làm thế nào để cải tiến hệ thống chiếu sáng mà vẫn đảm bảo sự sinh trưởng và phát triển bình thường của thực vật, trong khi đó, chi phí cho nguồn điện năng là thấp nhất. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước về lĩnh vực nuôi cấy mô hiện nay chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các phytohormone trong quá trình phát sinh hình thái hay sinh trưởng và phát triển của thực vật mà chưa đi sâu tìm hiểu vai trò của ánh sáng trong vi nhân giống, đặc biệt là nguồn chiếu sáng từ đèn LED (Light-emitting diode). Đèn LED cho phép kiểm soát thành phần quang phổ và điều chỉnh cường độ chiếu sáng, ngoài ra có thể mô phỏng những thay đổi tương ứng với cường độ ánh sáng mặt trời trong ngày. Chúng có khả năng tạo ra cường độ ánh sáng cao với lượng bức xạ nhiệt thấp và tuổi thọ có thể lên đến nhiều năm. Không giống như bóng đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang chứa các điện cực có thể gây nổ nên phải thay định kỳ. Đèn LED có cấu trúc đặc nên an toàn khi sử dụng. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ quang điện tử kể từ giữa những năm 1980 đã cải thiện đáng kể hiệu quả và độ sáng của Dương Tấn Nhựt et al. 394 đèn LED. Đèn LED từ lâu đã được đề xuất như nguồn chiếu sáng chủ yếu cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu cây trồng hoặc các hệ thống hỗ trợ tái sinh sinh học. Chi phí năng lượng ngày càng tăng cao làm cho việc sử dụng đèn LED trong nông nghiệp ngày càng được mở rộng. Đèn LED đã mở ra triển vọng mới cho việc tối ưu hóa chuyển đổi năng lượng của hệ thống chiếu sáng trong phòng nuôi cấy mô hay trong nhà kính, điều đó có nghĩa năng lượng sẽ được sử dụng hiệu quả hơn khi cây trồng sinh trưởng dưới đèn LED thay vì đèn huỳnh quang truyền thống. Ưu điểm này có được là nhờ cấu tạo và cách thức chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng đặc biệt của đèn LED. Hàng loạt các công bố ứng dụng đèn LED ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình nhân giống trên nhiều đối tượng cây trồng khác nhau: Địa lan (Tanaka et al., 1998); Địa hoàng (Hahn et al., 2000); Chuối, Bạch đàn, Dâu tây, Lan ý, Hồ điệp (Nhut, 2002); Lily (Lian et al., 2002); Cúc (Kim et al., 2004); Nho (Heo et al., 2006); Doritaenopsis (Shin et al., 2008); Bông vải (Li et al., 2010)… Các nghiên cứu đều cho thấy đèn LED có tiềm năng thay thế đèn huỳnh quang như nguồn sáng nhân tạo trong vi nhân giống cây trồng và các ứng dụng khác trong nông nghiệp. Bài tổng quan này sẽ cung cấp những thông tin khái quát về lịch sử phát triển, cấu trúc và nguyên tác hoạt động của đèn LED cũng như các nghiên cứu ứng dụng của đèn LED trong lĩnh vực nông nghiệp nói chung và vi nhân giống nói riêng. CẤU TẠO, NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐÈN LED Đèn LED được cấu tạo từ hai khối bán dẫn. Một khối chứa các điện tử điện tích âm (n-type) và khối còn lại mang điện tích dương (p-type). Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó) (Hình 1). Sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc. Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói điện áp tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0,6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0,3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge. Hình 1. Sự chuyển dời của hạt điện tử và lỗ qua mối nối PN và hình dạng của LED (http:en.wikipedia.orgwikiLight- emittingdiode). Chất bán dẫn là thành phần quan trọng của đèn LED. Nhưng ánh sáng phát ra từ đèn LED còn phụ thuộc vào khung dẫn được đặt giữa hai khối bán dẫn và lớp vỏ bảo vệ khối bán dẫn. Sự phát triển của đèn LED được bắt đầu với vật liệu chất bán dẫn là gallium arsenide phát ra vùng ánh sáng hồng ngoại Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 395 và ánh sáng đỏ. Với những bước tiến của khoa học đã sản xuất ra những chất bán dẫn có thể tạo ra được ánh sáng có bước sóng ngắn hơn và ánh sáng có màu sắc đa dạng hơn. Henry Josef Round báo cáo đầu tiên về đèn LED vào năm 1907 (Round, 1907). Tuy nhiên, nghiên cứu của Round đã bị lãng quên trong nhiều thập kỷ cho đến khi chúng được cải tiến và ứng dụng lần đầu tiên bởi Nick Holonyak vào năm 1962. Loại đèn LED này đã được thương mại hóa trong những năm thập niên 60 của thế kỷ XX. Vật liệu chất bán dẫn GaAsP cấu tạo nên đèn LED là sự kết hợp của ba chất: Gallium, arsenic và phosphorus, tạo ra được ánh sáng đỏ với bước sóng là 655 nm, mức độ sáng vào khoảng 1 – 10 mcd ở 20mA. Khi cường độ ánh sáng thấp, đèn LED chủ yếu được sử dụng trong đèn báo các chỉ số. Sau vật liệu GaAsP thì GaP (gallium phosphide) tạo ra ánh sáng LED đỏ được phát triển. Ưu điểm của vật liệu này là có thể tạo ra được ánh sáng có cường độ cao hơn với cường độ dòng điện thấp. Công nghệ chế tạo đèn LED thật sự bùng nổ trong những năm thập niên 70 của thế kỷ XX. Nhiều vật liệu bán dẫn được tạo ra có thể phát ra những ánh sáng có màu sắc hay bước sóng khác nhau. Các vật liệu phổ biến nhất là GaP phát ra màu đỏ và xanh lá cây, GaAsP phát ra màu cam, đỏ và vàng. Các xu thế hướng tới nhiều ứng dụng thực tế (như máy tính, đồng hồ kỹ thuật số và các máy kiểm tra thiết bị) cũng bắt đầu phát triển. Các kỹ thuật chế tạo vật liệu ngày càng được cải tiến, cường độ ánh sáng phát ra càng gia tăng và đèn LED được sử dụng cho mục đích thắp sáng. Trong những năm 1980 một loại vật liệu mới ra đời, GaAlAs (gallium aluminum arsenide) đã được phát triển. Công nghệ GaAlAs tạo đèn LED cung cấp hiệu suất cao hơn trước đây. Điện năng yêu cầu rất thấp vì vậy có thể tiết kiệm được lượng điện năng tiêu thụ. Đèn LED có thể dùng cho các bảng hiệu hay thông báo vì dễ dàng thiết kế được mạch điện và ghép lại với các hình dạng bất kỳ từ chúng. Ngoài ra, đèn LED đã được ứng dụng trong thiết kế mã vạch, máy quét, hệ thống cáp quang truyền dữ liệu và trang thiết bị trong y tế. Trong giai đoạn này, sự cải thiện chất liệu tinh thể bao bên ngoài cho phép đèn LED phát ra ánh sáng màu vàng, xanh lá cây, da cam…và thay đổi các thông số của khung dẫn để nâng cao độ sáng hiệu quả nhưng các cấu trúc cơ bản của vật liệu bán dẫn vẫn không thay đổi. Diode laser phát ra ánh sáng trong vùng quang phổ nhìn thấy đã được thương mại hóa ở những năm cuối của thập kỷ 80. Các nhà thiết kế đã sử dụng kỹ thuật tương tự sản xuất đèn LED có độ bền và cường độ ánh sáng cao. Điều này đã làm phát triển chất bán dẫn mới là InGaAlP (indium gallium aluminum phosphide). Thông qua quá trình điều chỉnh khe hở khung dẫn năng lượng, vật liệu InGaAlP có thể tạo ra ánh sáng với các màu sắc khác nhau như vàng, xanh lá cây, đỏ… Tuy nhiên, trong thời gian này, đèn LED phát ra ánh sáng xanh dương vẫn chưa được tạo ra. Mãi đến năm 1993, Shuji Nakamura thuộc công ty hóa chất Nichia Nhật Bản đã lần đầu tiên giới thiệu đèn LED phát ra ánh sáng xanh. Với phát minh trên, ông cùng với hai nhà khoa học khác là Isamu Akasaki và Hiroshi Amano đã đoạt giải thường Nobel vật lý năm 2014 (http:www.nobelprize.orgnobelprizesphysicslau reates2014). Công nghệ chế tạo đèn LED xanh dương gặp rất nhiều khó khăn trong nâng cao dòng photo phát ra và chúng tương đối nhạy cảm với mắt người. Ánh sáng xanh dương cùng với ánh sáng đỏ và xanh lá cây là ba màu cơ bản, sự kết hợp đúng cách từ chúng có thể tạo ra được màu trắng và tất cả các màu còn lại. Quá trình này đòi hỏi sự thiết kế các mạch điện rất phức tạp kể cả phần cứng lẫn phần mềm điều khiển. Vật liệu để tạo ra ánh sáng xanh dương là GaN (gallium nitride) và SiC (silicon carbide). Đèn LED xanh đã trở nên có giá trị để trong các ứng dụng mới bao gồm các sản phẩm viễn thông, thiết bị điều khiển giao thông, đèn ôtô… Ngay cả, tivi LED có thể sớm được thương mại hóa. Khi so sánh tuổi thọ đèn sợi đốt (1.000 giờ), đèn huỳnh quang (8.000 giờ), đèn LED có tuổi thọ dài rất đáng kể lên đến 100.000 giờ. Ngoài tuổi thọ dài, đèn LED còn có nhiều ưu điểm hơn các nguồn chiếu sáng thông thường như kích thước nhỏ, phát ra bước sóng cụ thể, phát nhiệt thấp, điều chỉnh được cường độ ánh sáng và chất lượng chiếu sáng, tiêu thụ điện năng thấp… Với những lợi thế trên, đèn LED ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong nông nghiệp, hỗ trợ tăng trưởng thực vật trong môi trường có kiểm soát như phòng nuôi cấy mô và buồng sinh trường (Growth chamber) Sử dụng cấu trúc bán dẫn phát quang có thể tiết kiệm điện năng đến 11 và giảm lượng khí thải CO2 từ 261 – 348 triệu tấn vào năm 2020 (Tsao, 2004). Tùy vào các nguồn cấu tạo chất bán dẫn mà quyết định đến bước sóng của đèn LED (Bảng 1). Ví dụ: Aluminum gallium arsenide (AlGaAs) phát ra tia đỏ và tia hồng ngoại; aluminum gallium phosphide (AlGaP) – tia xanh lá cây; aluminum gallium indium phosphide (AlGaInP) – tia cam, vàng và xanh lá cây; gallium arsenide phosphide (GaAsP) – tia đỏ, cam – đỏ, cam và vàng; indium gallium nitride (InGaN) – gần tia UV, xanh dương; silicon carbide (SiC) – xanh dương; sapphire (Al2O3) – xanh dương; zinc selenide (ZnSe) – xanh dương; diamond (C) – tia UV (Steigerwald, 2002). Dương Tấn Nhựt et al. 396 Bảng 1. Danh sách một số loại đèn LED phát ra các bước sóng phổ biến. Đỉnh bước sóng Màu sắc Vật liệu và cấu trúc đèn LED Cơ chất 730 Đỏ xa GaAs GaP 700 Đỏ GaP:Zn-O GaP 660 Đỏ GaAl0.35As GaAs 650 Đỏ GaAs0.6P GaAs 630 Cam – đỏ GaAs0.35P0.65:N GaP 610 Cam GaAs0.25P0.75:N GaP 590 Vàng GaAs0.15P0.85:N GaP 585 Vàng GaAs0.14P0.86:N GaP 565 Xanh lá cây GaP:N GaP 450 Xanh dương GaNSiC - Đèn LED có thể kiểm soát được bức xạ phát ra và khắc phục được hầu hết những nhược điểm của một nguồn sáng thông thường nên là nguồn sáng đầy hứa hẹn để thay thế những thiết bị chiếu sáng truyền thống hiện nay trong nuôi cấy thực vật. Ngoài đặc tính phát ra vùng quang phổ hẹp, ưu điểm chính của việc sử dụng đèn LED là có thể chọn lựa bước sóng phát ra phù hợp với đỉnh hấp thu của các chất thụ quan. Từ đó, có thể nghiên cứu được đáp ứng của thực vật với từng vùng quang phổ. Ánh sáng xanh dương (440 nm) là đỉnh hấp thụ của crytochrome và carotenoid, vùng ánh sáng đỏ (640 nm) là đỉnh hấp thụ của phytochrome và chlorophyll. Hơn nữa, nguồn sáng này có khả năng điều chỉnh được cường độ chiếu sáng, cùng với việc điều chỉnh nồng độ CO2, độ ẩm tương đối, nhiệt độ có thể tối ưu hóa sinh trưởng phát triển của cây trồng trong nhà kính cũng như trong nuôi cấy mô (Pinho, 2004). QUÁ TRÌNH QUANG HỢP VÀ ỨNG DỤNG ĐÈN LED TRONG NGHIÊN CỨU QUANG HỢP Các phân tử chất diệp lục bắt đầu quang hợp bằng cách thu năng lượng ánh sáng và chuyển đổi nó thành năng lượng hóa học, năng lượng này chuyển đổi nước và khí carbonic thành hợp chất hữu cơ cần thiết cho sự sống. Có thể khái quát quá trình quang hợp bằng phương trình như sau: ánh sáng 2 2 2 2CO +H O (CH O)+O⎯⎯⎯⎯→ Phân tử (CH2O)n được sử dụng để xây dựng và tổng hợp cho các thành phần khác trong cơ thể thực vật. Chất diệp lục hấp thụ tốt nhất với các ánh sáng màu xanh dương và màu đỏ. Ánh sáng màu xanh lá cây và màu vàng không được hấp thụ sẽ bị phản chiếu lại. Điều đó có nghĩa, trong các dãy màu tạo nên ánh sáng trắng thì thực vật chỉ có thể hấp thụ chọn lọc một số bước sóng. Hay nói cách khác, việc loại bỏ một số loại bước sóng không cần thiết, thực vật vẫn có thể phát triển một cách bình thường như ánh sáng trắng. Với sự ra đời của đèn LED cho phép các nhà khoa học loại bỏ các bước sóng ánh sáng khác mà bình thường có trong ánh sáng trắng. Do đó, có thể giảm năng lượng tiêu hao bởi sự đốt nóng của các bước sóng không cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Ánh sáng đỏ và xanh dương thích hợp nhất cho quá trình quang hợp ở thực vật. Chất lượng ánh sáng đặc biệt hiệu quả với sự phát triển của các loài sinh trưởng tự dưỡng. Tuy nhiên, không phải lúc nào chúng cũng mang lại hiệu quả cho quá trình sinh trưởng. Ví dụ, ánh sáng đỏ xa làm đảo ngược tác dụng của phytochrome dẫn đến sự thay đổi trong biểu hiện của gene, cấu trúc thực vật và các đáp ứng tái sinh. Thêm vào đó, quang phát sinh hình thái thực vật còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quang kỳ (cân bằng thời gian tối và sáng), chất lượng ánh sáng (cân bằng ánh tỷ lệ ánh sáng đỏ, xanh và đỏ xa), cường độ chiếu sáng… Trong nhiều nghiên cứu đã chứng minh, đèn LED xanh với bước sóng (450 - 470 nm) và đèn LED đỏ với bước sóng (650 - 665 nm) là phổ hấp thụ phù hợp với các sắc tố quang hợp carotenoid và chlorophyll. Những thí nghiệm khác lại chứng minh cần sử dụng ánh sáng đỏ xa (730 - 735 nm) kết hợp với 2 loại ánh sáng trên trong nuôi cấy. Dọc theo Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 397 dòng của sự tiến bộ công nghệ LED, đèn LED trở thành một nguồn ánh sáng nổi bật cho các hệ thống nuôi thâm canh cây trồng và nghiên cứu thuộc quang sinh học. Các thí nghiệm canh tác sử dụng nguồn ánh sáng như vậy đang trở nên ngày càng phổ biến. Các nghiên cứu sinh lý và nuôi trồng thực vật sử dụng hệ thống chiếu sáng đèn LED bắt đầu từ trong thập niên 90 và sẽ tiếp tục phát triển trong thiên niên kỷ mới. Những nghiên cứu đã xác nhận, đèn LED rất thích hợp cho canh tác một số loại cây trồng, cây ăn trái, rau, hoa và tảo. QUANG KỲ, CHIẾU SÁNG GIÁN ĐOẠN VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Hằng số thời gian cho quá trình quang hợp có thể được chia thành ba phạm vi: quang hóa học, vận chuyển điện tử và quá trình trao đổi chất carbon. Ba giai đoạn của quang hợp có thể được tách riêng bằng cách cung cấp các photon ánh sáng trong phạm vi thích hợp cho mỗi quá trình. Tuy nhiên, dựa vào nhu cầu ánh sáng thì quá trình quang hợp có thể chia thành 2 giai đoạn là pha sáng quang hợp (cần ánh sáng) và pha tối quang hợp (không cần ánh sáng). Khả năng dao động linh hoạt của đèn LED có thể được sử dụng với các đặc tính quang hợp để tìm ra được cách thức hài hòa giữa hiệu quả tích tũy năng lượng của thực vật và tiết kiệm năng lượng trong thắp sáng. Tennessen và đồng tác giả (1995) sử dụng đèn LED để nghiên cứu tác động của dòng photon ánh sáng (micro đến milli giây) đến quá trình quang hợp của lá Cà chua còn nguyên vẹn. Tennessen đã phát hiện ra rằng, dòng photon với 5.000 μmol.m-2 trong 150 μs được cung cấp trong chu kỳ sáng là 1,5 μs tương đương với 50 μmol.m-2 theo sau bởi 148,5 μs chu kỳ tối thì hiệu quả quang hợp trên cây cà chua tương đương với quá trình chiếu sáng liên tục ở cùng cường độ ánh sáng. Về mặt lý thuyết, thời gian sáng trong chu kỳ là 100 ps (picrosecond) hoặc ngắn hơn là đủ để trung tâm phản ứng hấp thụ, lưu trữ và sử dụng photon trong vận chuyển điện tử ở chu kỳ tối. Sắc tố quang hợp không bị ảnh hưởng bởi phương pháp xử lý sáng gián đoạn. Nghiên cứu này cho thấy, thay vì ánh sáng liên tục, sử dụng hiệu quả tính toán ánh sáng không liên tục (có nghĩa là tiêu thụ năng lượng ít hơn) có thể không ảnh hưởng đến sản xuất cây trồng. Một đặc điểm ưu việt nữa của đèn LED là có thể tắt và bật một cách nhanh chóng (200 ns) và không phải dễ dàng đạt được với các nguồn chiếu sáng khác. Điều này có ý nghĩa khi quá trình quang hợp không cần phải chiếu sáng liên tục nên có thể dùng đèn LED để nghiên cứu sự hấp thụ photon và vận chuyển điện tử trong cơ thể thực vật, qua đó, có thể tiết kiệm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ. Ngoài những ưu điểm nổi bật, đèn LED còn có những nhược điểm làm cho nguồn chiếu sáng này chưa có thể ứng dụng trên diện rộng. - Công nghệ sản xuất đèn LED hiện đang đắt hơn so với công nghệ sản xuất các nguồn sáng không thường khác. Nên giá thành của đèn LED thường cao hơn. Ngoài ra, còn thêm chi phí bổ sung cho mạch chuyển đồi dòng điện xoay chiều thành 1 chiều cung cấp cho đèn LED thương mại. - Đèn LED phát nhiệt ít, tuy nhiên, các mạch điện tử chuyển đồi năng lượng cung cấp cho đèn LED lại phát nhiệt. Điều đó đồng nghĩa với việc giảm hiệu suất chuyển đối điện năng thành ánh sáng của đèn LED và thất thoát một lượng điện năng không cần thiết. - Hiệu quả chiếu sáng của đèn LED sẽ giảm khi tăng dòng điện. Nhiệt độ cũng tăng lên khi dòng điện tăng cao làm ảnh hưởng tuổi thọ của đèn LED. Những hiệu ứng không mong muốn này đã làm hạn chế các ứng dụng LED công suất cao (Efemov et al., 2006). - Đèn LED thường phát ra ánh sáng theo một hướng tại một góc hẹp hơn so với đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang với cùng cường độ ánh sáng. - Đèn LED thu hút côn trùng nhiều hơn so với các nguồn chiếu sáng truyền thống khác. Theo nghiên cứu của Pawson và Bader thì đèn LED thu hút côn trùng cao hơn 48 so với đèn cao áp natri (Pawson, Bader, 2014). Vấn đề này cần được xem xét kỹ khi ứng dụng đèn LED ở vườn ươm và nhà kính trồng cây. Một số các nghiên cứu tiên phong được xem xét trong giai đoạn đầu phát triển của đèn LED: Bula và đồng tác giả (1991) đã chỉ ra rằng sinh trưởng rau diếp được thúc đẩy với đèn LED màu đỏ kết hợp với đèn ống huỳnh quang màu xanh (TFL). Hoenecke và đồng tác giả (1992) đã xác minh sự cần thiết của các photon màu xanh trong sản xuất cây giống rau diếp bằng cách sử dụng đèn LED màu đỏ với màu xanh TFL. Khi giá của cả hai đèn LED màu xanh và đỏ đã giảm và độ sáng tăng lên đáng kể, kết quả nghiên cứu đã có thể được áp dụng trong sản xuất thương mại. Tennessen và đồng tác giả (1994) đã so sánh quang hợp từ lá của Kudzu (Pueraria lobata) trong buồng Dương Tấn Nhựt et al. 398 sinh trưởng được chiếu sáng bởi đèn LED so với một đèn hồ quang xenon. Các phản ứng quang đồng hóa CO2 dưới các đèn LED và đèn hồ quang xenon là như nhau. Quá trình quang hợp khác biệt không có ý nghĩa giữa ánh sáng trắng và ánh sáng đỏ trong điều kiện CO2 ở nồng độ cao. Kết quả cho thấy, quang hợp bao gồm cả vận chuyển điện tử, trao đổi chất carbon và khí thải ra sẽ được nghiên cứu hiệu quả và chính xác với độ tin cậy cao khi sử dụng đèn LED. Okamoto và đồng tác giả (1997) đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ ánh sáng (PPFD) từ các tỷ lệ khác nhau giữa ánh sáng đỏ và xanh đến sự sinh trưởng và phát sinh hình thái của cây Rau diếp. Kết quả cho thấy chiều cao cây giảm khi PPFD của ánh sáng xanh gia tăng. Các nghiên cứu cũng đã xác định được mối quan hệ giữa PPFD với việc tăng chiều cao, khối lượng khô rễ thân và toàn bộ cây Rau diếp. ĐÈN LED VÀ NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO THỰC VẬT Nuôi cấy mô là sự phát triển của các mô thực vật hoặc các tế bào trong một môi trường có kiểm soát (một môi trường sinh trưởng lý tưởng, nơi được vô trùng với vi sinh vật và các chất ô nhiễm khác), được sử dụng rộng rãi trong khoa học thực vật và một số ứng dụng thương mại. Môi trường được kiểm soát cho nuôi cấy mô tế bào thực vật thường không khí được lọc, nhiệt độ ổn định, nguồn ánh sáng ổn định, và các môi trường nuôi cấy trở thành công thức (chẳng hạn như dung dịch nuôi cấy hoặc môi trường thạch). Vi nhân giống, một hình thức nuôi cấy mô thực vật, được sử dụng rộng rãi trong lâm nghiệp và trồng hoa. Nó cũng được sử dụng cho các loài cây quý hiếm hoặc có nguy cơ tuyệt chủng bảo tồn. Các ứng dụng khác của vi nhân giống bao gồm: (1) Thử nghiệm ngắn cho các nghiên cứu xây dựng, biến đổi và tái sinh thực vật chuyển gene. (2) Lai tạo và tái sinh các loài xa có liên quan. (3) Sàng lọc các tế bào có đặc điểm tốt (ví dụ: chịu được hoặc kháng thuốc diệt cỏ). (4) Cứu phôi (Phôi thường chết khi xảy ra hiện tượng lai xa liên quan đến loài và nuôi cấy mô tế bào thực vật có thể khắc phục được vấn đề này). (5) Sinh trưởng nhanh của tế bào thực vật trong bioreactor nuôi cấy lỏng như là nguồn sản xuất chất thứ cấp (Tái tổ hợp protein được sử dụng như dược sinh học). (6) Đa bội hóa cây trồng như một phương pháp nhanh trong chương trình chọn giống (Thường sử dụng colchicine trong đa bội hóa nhiễm sắc thể). Nuôi cấy mô và các ngành công nghiệp nhân giống từ lâu đã được sử dụng nguồn ánh sáng nhân tạo cho sản xuất. Những nguồn ánh sáng bao gồm: huỳnh quang (TFL), đèn sodium cao áp (HPS), kim loại bóng đèn halogen (MHL) và đèn sợi đốt v.v… Trong số đó, TFL đã được phổ biến nhất trong ngành công nghiệp phòng nuôi cấy mô. Tuy nhiên, việc sử dụng của TFL tiêu thụ 65 tổng số điện trong một phòng thí nghiệm nuôi cấy mô, đó là chi phí cao nhất. Kết quả là, các ngành công nghiệp liên tục tìm kiếm các nguồn ánh sáng hiệu quả hơn. Sự phát triển của LED độ sáng cao là một nguồn ánh sáng đầy hứa hẹn cho sự phát triển của thực vật trong môi trường được kiểm soát. Trong những năm gần đây, với các kỹ thuật cải tiến của đèn LED, một số lượng lớn các công bố thực hiện trên nhiều đối tượng thực vật khác nhau để chứng minh đèn LED sẽ trở thành nguồn chiếu sáng trong các phòng nuôi cấy mô. Các công bố đều tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của đèn LED đơn lẻ hay kết hợp lên sự sinh trưởng và phát sinh hình thái của cây trồng. Sự gia tăng các chỉ tiêu sinh trưởng như khối lượng tươi, khối lượng khô được ghi nhận khi cây nuôi cấy dưới điều kiện chiếu sáng LED xanh và LED đỏ kết hợp tốt hơn so với LED đơn lẻ (Nhut, 2002; Lian et al., 2002; Kim et al., 2004; Poudel et al., 2008; Shin et al., 2008; Li et al., 2010). Khối lượng tươi và khô của cây bông vải cao nhất khi được nuôi cấy dưới điều kiện LED xanh và LED đỏ kết hợp vởi tỉ lệ 1:1. Kết quả tương tự được ghi nhận trên đối tượng cây Cúc trong nghiên cứu của Kim và đồng tác giả (2004). Hahn và đồng tác giả (2000) đã báo cáo rằng tốc độ quang hợp của cây Địa hoàng nuôi cấy in vitro là rất cao dưới hệ thống LED hỗn hợp (50 LED đỏ và 50 LED xanh) hoặc dưới đèn huỳnh quang, trong khi đó cây con nuôi cấy dưới hệ thống LED xanh hoặc LED đỏ có tốc độ quang hợp rất thấp. Cường độ photon cao của LED xanh, đỏ và độ dài bước sóng đặc trưng của chúng làm cho hệ thống đèn mới này mang lại nhiều thuận lợi. Các loại cây con Dâu Tây, Bạch Đàn, Địa Lan, Hồ Điệp và Chuối có thân kéo dài dưới hệ thống LED đỏ, còn cây Lan Ý lại tăng trưởng bình thường ở điều kiện này. Những cây con có thân được kéo dài dưới hệ thống LED đỏ thường mảnh, lá hơi vàng, có lượng chlorophyll ít hơn, tốc độ quang hợp, khối lượng tươi của thân và rễ cũng thấp hơn so vơi những cây được nuôi dưới hệ thống LED kết hợp đỏ và xanh (Nhut, 2002) (Hình 2). Phản ứng của cây con được nuôi cấy với tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh khác Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 399 nhau đã được xem xét trên qui mô thương mại. Phản ứng này tùy thuộc vào loài thực vật, yêu cầu được đặt ra của các nghiên cứu này là tỷ lệ ánh sáng xanhđỏ thích hợp nhất cho mỗi loại cây trồng. Công việc này đóng vai trò quyết định trong việc xác định chi tiết nhu cầu ánh sáng xanhđỏ. Nhiều nghiên cứu đã nỗ lực tìm ra vai trò của việc kết hợp ánh sáng xanh và đỏ nhưng vẫn chưa làm rõ được chi tiết chất lượng ánh sáng. Mặc dù, tác động riêng rẽ của từng loại ánh sáng đã được nghiên cứu khá kỹ. Hình 2. Sinh trưởng của một số loại cây trồng ở giai đoạn in vitro dưới hệ thống chiếu sáng LED và sinh trưởng tiếp theo của chúng ở giai đoạn vườn ươm. a,a1. cây Bạch đàn; b,b1: cây Lan ý; c,c1: cây Dâu tây; d,d1: cây Chuối; e: cây Địa lan; f: cây Hồ điệp (Nhut, 2002) (R: LED đỏ; B: LED xanh; PGF-Plant growth fluorescent: cây sinh trương dưới ánh sáng huỳnh quang). Dương Tấn Nhựt et al. 400 Ánh sáng đỏ đã được nghiên cứu như một tác nhân tác động đến sự phát triển của cây trồng thông qua kiểm soát cân bằng hoạt động của quá trình tổng hợp các phytohormone. Kích hoạt các sắc tố đỏ và đỏ xa bằng ánh sáng đỏ đồng nghĩa với việc kích hoạt các hệ thống enzyme oxy hóa chuyển đổi các cofactor như naringenin, apigenin và các dẫn xuất kaempferol trong quá trình tổng hợp IAA oxidase, enzyme này có vai trò giúp cân bằng nồng độ IAA trong cơ thể thực vật (Mumford et al., 1961). Các nghiên cứu hiện nay cho thấy dưới ánh sáng LED đỏ, các chồi và chiều dài đốt thân đều kéo dài ở nhiều loài thực vật như nghiên cứu của Kim và đồng tác giả trên đối tượng cây Cúc (Kim et al., 2004), Azorina vidalii (Wats.) Feer (Moreira da Silva, Debergh, 1997). Tuy nhiên, ở một vài nghiên cứu, ánh sáng đỏ tỏ ra không phù hợp với sự kéo dài thân. Hahn và đồng tác giả (2000) báo cáo hiệu ứng ngược lại của ánh sáng đỏ đối với sự tăng trường của cây Địa hoàng. Dưới vùng ánh sáng đỏ cây Địa hoàng không những không kéo dài thân mà khối lượng tươi và tốc độ quang hợp cũng đạt thấp hơn so với dưới các điều kiện chiếu sáng LED xanh. Kết quả trên cho thấy, tùy các loài thực vật khác nhau mà phản ứng của chúng với từng loại ánh sáng sẽ khác nhau. Tennessen và đồng tác giả (1994) cũng cho rằng ánh sáng đỏ gây mất cân bằng phân phối năng lượng ánh sáng cho hệ thống quang hóa I và II, do đó ức chế sự phát triển của cây. Ức chế sự phát triển của chồi được quan sát dưới ánh sáng đỏ ở thực vật có hoa thân thảo như cây cúc Vạn thọ và cây Salivia (Heo et al., 2002). Trong khi đó, ánh sáng xanh lại có tác động ngược lại. Ức chế sự tăng trưởng bằng ánh sáng xanh đã được báo cáo trên nhiều đối tượng khác nhau. Moreira da Silva và Degergh (1997) chỉ ra rằng chiều cao và chiều dài đốt thân của cây A. vidalii (Wats.) Feer bị ngắn khi sinh trưởng dưới vùng ánh sáng xanh dương. Ánh sáng xanh làm ức chế tăng trưởng và những thay đổi trong hình thái giải phẫu thân và lá ở cây Tiêu nuôi cấy in vitro (Schuerger et al., 1997). Mortensen và Stromme (1987) cũng quan sát thấy sự ức chế tăng trưởng dưới ánh sáng xanh ở nhiều loại cây trồng trong nhà kính. Trong khi đó, Kraepiel và Mipiniac (1997) nhấn mạnh tầm quan trọng của ánh sáng xanh trong việc đóng mở khí khổng. Ánh sáng màu xanh có vai trò trong sự hình thành diệp lục ở thực vật (Akoyunoglou, Anni 1984). Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng tích cực trong biểu hiện hoạt động của gene ở cả trong nhân lẫn gene ở lạp thể và trong quá trình phát triển bộ máy quang hợp ở tế bào thực vật (Richter, Wessel, 1985). Topchiy và đồng tác giả (2005) báo cáo rằng sự khác biệt trong quang phổ bức xạ ảnh hưởng đến chất lượng các thành phần của protein tham gia cấu tạo sắc tố và bộ máy quang hợp. Tuy nhiên, Chee (1986) lại báo cáo số lượng chồi đạt cao nhất khi giống Nho không hạt phát triển dưới ánh sáng xanh. Dường như sự kích thích hay ức chế chiều dài chồi giữa các tỷ lệ ánh sáng đỏxanh thì phụ thuộc vào phytochrome và các thụ quan ánh sáng khác ở các loài khác nhau (Kim et al., 2004). Một số trường hợp, sự sinh trưởng thực vật tốt nhất với 10 ánh sáng LED xanh được bổ sung, trong khi đó, một số trường hợp khác tỉ lệ LED xanh phải chiếm tới 30 khi kết hợp với ánh sáng LED đỏ (Nhut, Nam, 2010). Tỉ lệ xanhđỏ khác nhau ảnh hưởng khác nhau đến phát sinh hình thái chồi ở cây Hồng môn, phần trăm tái sinh chồi cao nhất khi tỉ lệ ánh sáng LED đỏ nhiều hơn xanh, nhưng số chồi hình thành nhiều nhất khi tỉ lệ LED xanh nhiều hơn đỏ (Budiarto, 2010). Đáp ứng khác nhau của phôi sinh dưỡng dưới các bước sóng LED khác nhau ở các loài thông cũng được nghiên cứu. Bước sóng đỏ ảnh hưởng tích cực đối với khả năng nảy mầm ở 3 loài thông được nghiên cứu (Merkle et al., 2005). Sự kết hợp giữa LED đỏ và đỏ xa kích thích sự hình thành phôi ở loài Doritaenopsis nhưng vẫn giữ hiện thượng nội phân ở mức thấp (Park et al., 2010). Quang phổ của ánh sáng LED cũng ảnh hưởng đến sự tái sinh từ vẩy củ của cây Lilium oriental hybrid “Pesaro”. Số lượng củ thu được cao nhất trong điều kiện tối và ánh sáng LED bổ sung riêng lẻ. Sự kết hợp giữa LED xanh và LED đỏ kích thích sự gia tăng kích thước, khối lượng tươi và khô của củ (Lian et al., 2002). Ánh sáng LED đỏ kết hợp với LED xanh cũng làm tăng sự hình thành PLB của lan Hồ điệp (Nhut et al., 2006). Ở cây Địa lan, số lượng PLB hình...

Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 BÀI TỔNG QUAN ĐÈN LED (LIGHT-EMITTING DIODE) - NGUỒN SÁNG NHÂN TẠO TRONG NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO THỰC VẬT Dương Tấn Nhựt, Nguyễn Bá Nam Viện Nghiên cứu Khoa học Tây Nguyên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 20.7.2014 Ngày nhận đăng: 30.8.2014 TÓM TẮT Ánh sáng là nhân tố quan trọng điều hòa sự sinh trưởng và phát triển của thực vật Thực vật sử dụng ánh sáng như nguồn năng lượng để tổng hợp các hợp chất hữu cơ qua quá trình quang hợp, hay sử dụng ánh sáng như nguồn thông tin cho các chương trình quang chu kỳ, quang hướng động và quang phát sinh hình thái Những đáp ứng này phụ thuộc vào cường độ, chất lượng ánh sáng (bước sóng), thời gian chiếu sáng và quang kỳ chiếu sáng Vì vậy, có thể sử dụng ánh sáng nhân tạo để kiểm soát sự sinh trưởng và phát triển thực vật trong nhà kính và trong in vitro Nhìn chung, đèn huỳnh quang là nguồn chiếu sáng chính trong nhân giống vô tính thực vật Tuy nhiên, nguồn sáng này phát ra bước sóng từ 350 đến 750 nm, trong đó, có nhiều bước sóng không có lợi cho sự sinh trưởng của thực vật Ngoài ra, đèn huỳnh quang còn tỏa nhiệt trong quá trình thắp sáng nên cần một lượng điện năng để làm mát phòng nuôi cấy Đèn LED đã được chứng minh như nguồn sáng hiệu quả cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu cây trồng hoặc các hệ thống hỗ trợ tái sinh sinh học Sử dụng đèn LED có thể chọn được bước sóng phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, qua đó có thể nâng cao năng suất sinh học một cách tối đa Đã có một số lượng lớn các nghiên cứu ứng dụng chiếu sáng LED trên thực vật Các nghiên cứu tập trung đến sinh lý, sinh hóa cây trồng như kéo dài thân, tái sinh chồi bên, chồi bất định, hình thành phôi vô tính, tổng hợp các hợp chất thứ cấp dưới hệ thống chiếu sáng LED Trong bài tổng quan này sẽ khái quát lịch sử ra đời và quá trình phát triển cũng như ứng dụng của đèn LED trong nuôi cấy mô tế bào thực vật và canh tác cây trồng Từ khóa: LED, nhân giống vô tính, phát sinh hình thái, quang hợp, sinh trưởng và phát triển GIỚI THIỆU nguồn điện năng là thấp nhất Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước về lĩnh vực nuôi cấy mô hiện nay Ánh sáng là yếu tố quan trọng trong sự sinh chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các trưởng của thực vật: ánh sáng tác động đến quá trình phytohormone trong quá trình phát sinh hình thái quang hợp, quang phát sinh hình thái và đáp ứng hay sinh trưởng và phát triển của thực vật mà chưa đi hướng sáng Sự đáp ứng này phụ thuộc vào cường độ sâu tìm hiểu vai trò của ánh sáng trong vi nhân ánh sáng, chất lượng ánh sáng và thời gian chiếu giống, đặc biệt là nguồn chiếu sáng từ đèn LED sáng Việc nắm vững tác động của ánh sáng đến quá (Light-emitting diode) Đèn LED cho phép kiểm soát trình sinh lý thực vật có thể điều khiển được sự sinh thành phần quang phổ và điều chỉnh cường độ chiếu trưởng và phát triển của cây trồng trong nhà kính sáng, ngoài ra có thể mô phỏng những thay đổi cũng như trong điều kiện in vitro Tuy nhiên, năng tương ứng với cường độ ánh sáng mặt trời trong lượng phục vụ cho quá trình thắp sáng chiếm đến ngày Chúng có khả năng tạo ra cường độ ánh sáng 65% và làm mát chiếm đến 25% trong tổng năng cao với lượng bức xạ nhiệt thấp và tuổi thọ có thể lên lượng của một quy trình nhân giống Vì vậy, một đến nhiều năm Không giống như bóng đèn sợi đốt trong những vấn đề cần thiết để thiết lập một quy hay đèn huỳnh quang chứa các điện cực có thể gây trình công nghệ nuôi cấy mô tối ưu và tiết kiệm chi nổ nên phải thay định kỳ Đèn LED có cấu trúc đặc phí, chính là làm thế nào để cải tiến hệ thống chiếu nên an toàn khi sử dụng Sự phát triển nhanh chóng sáng mà vẫn đảm bảo sự sinh trưởng và phát triển của công nghệ quang điện tử kể từ giữa những năm bình thường của thực vật, trong khi đó, chi phí cho 1980 đã cải thiện đáng kể hiệu quả và độ sáng của 393 Dương Tấn Nhựt et al đèn LED Đèn LED từ lâu đã được đề xuất như CẤU TẠO, NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ nguồn chiếu sáng chủ yếu cho các phòng thí nghiệm LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐÈN LED nghiên cứu cây trồng hoặc các hệ thống hỗ trợ tái sinh sinh học Chi phí năng lượng ngày càng tăng Đèn LED được cấu tạo từ hai khối bán dẫn cao làm cho việc sử dụng đèn LED trong nông Một khối chứa các điện tử điện tích âm (n-type) và nghiệp ngày càng được mở rộng Đèn LED đã mở ra khối còn lại mang điện tích dương (p-type) Khối triển vọng mới cho việc tối ưu hóa chuyển đổi năng bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện lượng của hệ thống chiếu sáng trong phòng nuôi cấy tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa mô hay trong nhà kính, điều đó có nghĩa năng lượng các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng sẽ được sử dụng hiệu quả hơn khi cây trồng sinh chuyễn động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối trưởng dưới đèn LED thay vì đèn huỳnh quang p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n truyền thống Ưu điểm này có được là nhờ cấu tạo và chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu cách thức chuyển đổi năng lượng điện thành năng hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích lượng ánh sáng đặc biệt của đèn LED Hàng loạt các điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở công bố ứng dụng đèn LED ở các giai đoạn khác biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ nhau trong quá trình nhân giống trên nhiều đối tượng trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng cây trồng khác nhau: Địa lan (Tanaka et al., 1998); có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên Địa hoàng (Hahn et al., 2000); Chuối, Bạch đàn, Dâu tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng tây, Lan ý, Hồ điệp (Nhut, 2002); Lily (Lian et al., lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có 2002); Cúc (Kim et al., 2004); Nho (Heo et al., bước sóng gần đó) (Hình 1) Sự tích điện âm bên 2006); Doritaenopsis (Shin et al., 2008); Bông vải khối p và dương bên khối n hình thành một điện áp (Li et al., 2010)… Các nghiên cứu đều cho thấy đèn gọi là điện áp tiếp xúc Điện trường sinh ra bởi điện LED có tiềm năng thay thế đèn huỳnh quang như áp có hướng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển nguồn sáng nhân tạo trong vi nhân giống cây trồng động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ và các ứng dụng khác trong nông nghiệp Bài tổng lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình quan này sẽ cung cấp những thông tin khái quát về chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp lịch sử phát triển, cấu trúc và nguyên tác hoạt động tiếp xúc Lúc này ta nói điện áp tiếp xúc p-n ở trạng của đèn LED cũng như các nghiên cứu ứng dụng của thái cân bằng Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng đèn LED trong lĩnh vực nông nghiệp nói chung và vi khoảng 0,6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và nhân giống nói riêng khoảng 0,3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge Hình 1 Sự chuyển dời của hạt điện tử và lỗ qua mối nối PN và hình dạng của LED (http://en.wikipedia.org/wiki/Light- emitting_diode) Chất bán dẫn là thành phần quan trọng của đèn và lớp vỏ bảo vệ khối bán dẫn Sự phát triển của đèn LED Nhưng ánh sáng phát ra từ đèn LED còn phụ LED được bắt đầu với vật liệu chất bán dẫn là thuộc vào khung dẫn được đặt giữa hai khối bán dẫn gallium arsenide phát ra vùng ánh sáng hồng ngoại 394 Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 và ánh sáng đỏ Với những bước tiến của khoa học phosphide) Thông qua quá trình điều chỉnh khe hở đã sản xuất ra những chất bán dẫn có thể tạo ra được khung dẫn năng lượng, vật liệu InGaAlP có thể tạo ánh sáng có bước sóng ngắn hơn và ánh sáng có màu ra ánh sáng với các màu sắc khác nhau như vàng, sắc đa dạng hơn Henry Josef Round báo cáo đầu xanh lá cây, đỏ… Tuy nhiên, trong thời gian này, tiên về đèn LED vào năm 1907 (Round, 1907) Tuy đèn LED phát ra ánh sáng xanh dương vẫn chưa nhiên, nghiên cứu của Round đã bị lãng quên trong được tạo ra Mãi đến năm 1993, Shuji Nakamura nhiều thập kỷ cho đến khi chúng được cải tiến và thuộc công ty hóa chất Nichia Nhật Bản đã lần đầu ứng dụng lần đầu tiên bởi Nick Holonyak vào năm tiên giới thiệu đèn LED phát ra ánh sáng xanh Với 1962 Loại đèn LED này đã được thương mại hóa phát minh trên, ông cùng với hai nhà khoa học khác trong những năm thập niên 60 của thế kỷ XX Vật là Isamu Akasaki và Hiroshi Amano đã đoạt giải liệu chất bán dẫn GaAsP cấu tạo nên đèn LED là sự thường Nobel vật lý năm 2014 kết hợp của ba chất: Gallium, arsenic và phosphorus, (http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/lau tạo ra được ánh sáng đỏ với bước sóng là 655 nm, reates/2014/) Công nghệ chế tạo đèn LED xanh mức độ sáng vào khoảng 1 – 10 mcd ở 20mA Khi dương gặp rất nhiều khó khăn trong nâng cao dòng cường độ ánh sáng thấp, đèn LED chủ yếu được sử photo phát ra và chúng tương đối nhạy cảm với mắt dụng trong đèn báo các chỉ số Sau vật liệu GaAsP người Ánh sáng xanh dương cùng với ánh sáng đỏ thì GaP (gallium phosphide) tạo ra ánh sáng LED đỏ và xanh lá cây là ba màu cơ bản, sự kết hợp đúng được phát triển Ưu điểm của vật liệu này là có thể cách từ chúng có thể tạo ra được màu trắng và tất cả tạo ra được ánh sáng có cường độ cao hơn với cường các màu còn lại Quá trình này đòi hỏi sự thiết kế các độ dòng điện thấp Công nghệ chế tạo đèn LED thật mạch điện rất phức tạp kể cả phần cứng lẫn phần sự bùng nổ trong những năm thập niên 70 của thế kỷ mềm điều khiển Vật liệu để tạo ra ánh sáng xanh XX Nhiều vật liệu bán dẫn được tạo ra có thể phát dương là GaN (gallium nitride) và SiC (silicon ra những ánh sáng có màu sắc hay bước sóng khác carbide) Đèn LED xanh đã trở nên có giá trị để nhau Các vật liệu phổ biến nhất là GaP phát ra màu trong các ứng dụng mới bao gồm các sản phẩm viễn đỏ và xanh lá cây, GaAsP phát ra màu cam, đỏ và thông, thiết bị điều khiển giao thông, đèn ôtô… vàng Các xu thế hướng tới nhiều ứng dụng thực tế Ngay cả, tivi LED có thể sớm được thương mại hóa (như máy tính, đồng hồ kỹ thuật số và các máy kiểm tra thiết bị) cũng bắt đầu phát triển Các kỹ thuật chế Khi so sánh tuổi thọ đèn sợi đốt (1.000 giờ), đèn tạo vật liệu ngày càng được cải tiến, cường độ ánh huỳnh quang (8.000 giờ), đèn LED có tuổi thọ dài rất sáng phát ra càng gia tăng và đèn LED được sử dụng đáng kể lên đến 100.000 giờ Ngoài tuổi thọ dài, đèn cho mục đích thắp sáng Trong những năm 1980 một LED còn có nhiều ưu điểm hơn các nguồn chiếu sáng loại vật liệu mới ra đời, GaAlAs (gallium aluminum thông thường như kích thước nhỏ, phát ra bước sóng cụ arsenide) đã được phát triển Công nghệ GaAlAs tạo thể, phát nhiệt thấp, điều chỉnh được cường độ ánh sáng đèn LED cung cấp hiệu suất cao hơn trước đây Điện và chất lượng chiếu sáng, tiêu thụ điện năng thấp… Với năng yêu cầu rất thấp vì vậy có thể tiết kiệm được những lợi thế trên, đèn LED ngày càng được ứng dụng lượng điện năng tiêu thụ Đèn LED có thể dùng cho các rộng rãi hơn trong nông nghiệp, hỗ trợ tăng trưởng thực bảng hiệu hay thông báo vì dễ dàng thiết kế được mạch vật trong môi trường có kiểm soát như phòng nuôi cấy điện và ghép lại với các hình dạng bất kỳ từ chúng mô và buồng sinh trường (Growth chamber) Sử dụng Ngoài ra, đèn LED đã được ứng dụng trong thiết kế mã cấu trúc bán dẫn phát quang có thể tiết kiệm điện năng vạch, máy quét, hệ thống cáp quang truyền dữ liệu và đến 11% và giảm lượng khí thải CO2 từ 261 – 348 triệu trang thiết bị trong y tế Trong giai đoạn này, sự cải tấn vào năm 2020 (Tsao, 2004) thiện chất liệu tinh thể bao bên ngoài cho phép đèn LED phát ra ánh sáng màu vàng, xanh lá cây, da Tùy vào các nguồn cấu tạo chất bán dẫn mà quyết cam…và thay đổi các thông số của khung dẫn để nâng định đến bước sóng của đèn LED (Bảng 1) Ví dụ: cao độ sáng hiệu quả nhưng các cấu trúc cơ bản của vật Aluminum gallium arsenide (AlGaAs) phát ra tia đỏ và liệu bán dẫn vẫn không thay đổi tia hồng ngoại; aluminum gallium phosphide (AlGaP) – tia xanh lá cây; aluminum gallium indium phosphide Diode laser phát ra ánh sáng trong vùng quang (AlGaInP) – tia cam, vàng và xanh lá cây; gallium phổ nhìn thấy đã được thương mại hóa ở những năm arsenide phosphide (GaAsP) – tia đỏ, cam – đỏ, cam và cuối của thập kỷ 80 Các nhà thiết kế đã sử dụng kỹ vàng; indium gallium nitride (InGaN) – gần tia UV, xanh thuật tương tự sản xuất đèn LED có độ bền và cường dương; silicon carbide (SiC) – xanh dương; sapphire độ ánh sáng cao Điều này đã làm phát triển chất bán (Al2O3) – xanh dương; zinc selenide (ZnSe) – xanh dẫn mới là InGaAlP (indium gallium aluminum dương; diamond (C) – tia UV (Steigerwald, 2002) 395 Bảng 1 Danh sách một số loại đèn LED phát ra các bước sóng phổ biến Dương Tấn Nhựt et al Đỉnh bước sóng Màu sắc Vật liệu và cấu trúc đèn LED Cơ chất GaP 730 Đỏ xa GaAs GaP 700 Đỏ GaP:Zn-O GaAs 660 Đỏ GaAl0.35As GaAs 650 Đỏ GaAs0.6P GaP 630 Cam – đỏ GaAs0.35P0.65:N GaP 610 Cam GaAs0.25P0.75:N GaP 590 Vàng GaAs0.15P0.85:N GaP 585 Vàng GaAs0.14P0.86:N GaP 565 Xanh lá cây GaP:N - 450 Xanh dương GaN/SiC Đèn LED có thể kiểm soát được bức xạ phát ra màu xanh dương và màu đỏ Ánh sáng màu xanh lá và khắc phục được hầu hết những nhược điểm của cây và màu vàng không được hấp thụ sẽ bị phản một nguồn sáng thông thường nên là nguồn sáng đầy chiếu lại Điều đó có nghĩa, trong các dãy màu tạo hứa hẹn để thay thế những thiết bị chiếu sáng truyền nên ánh sáng trắng thì thực vật chỉ có thể hấp thụ thống hiện nay trong nuôi cấy thực vật Ngoài đặc chọn lọc một số bước sóng Hay nói cách khác, việc tính phát ra vùng quang phổ hẹp, ưu điểm chính của loại bỏ một số loại bước sóng không cần thiết, thực việc sử dụng đèn LED là có thể chọn lựa bước sóng vật vẫn có thể phát triển một cách bình thường như phát ra phù hợp với đỉnh hấp thu của các chất thụ ánh sáng trắng quan Từ đó, có thể nghiên cứu được đáp ứng của thực vật với từng vùng quang phổ Ánh sáng xanh Với sự ra đời của đèn LED cho phép các nhà dương (440 nm) là đỉnh hấp thụ của crytochrome và khoa học loại bỏ các bước sóng ánh sáng khác mà carotenoid, vùng ánh sáng đỏ (640 nm) là đỉnh hấp bình thường có trong ánh sáng trắng Do đó, có thể thụ của phytochrome và chlorophyll Hơn nữa, giảm năng lượng tiêu hao bởi sự đốt nóng của các nguồn sáng này có khả năng điều chỉnh được cường bước sóng không cần thiết cho sự sinh trưởng và độ chiếu sáng, cùng với việc điều chỉnh nồng độ phát triển của thực vật CO2, độ ẩm tương đối, nhiệt độ có thể tối ưu hóa sinh trưởng phát triển của cây trồng trong nhà kính Ánh sáng đỏ và xanh dương thích hợp nhất cho cũng như trong nuôi cấy mô (Pinho, 2004) quá trình quang hợp ở thực vật Chất lượng ánh sáng đặc biệt hiệu quả với sự phát triển của các loài sinh QUÁ TRÌNH QUANG HỢP VÀ ỨNG DỤNG ĐÈN trưởng tự dưỡng Tuy nhiên, không phải lúc nào LED TRONG NGHIÊN CỨU QUANG HỢP chúng cũng mang lại hiệu quả cho quá trình sinh trưởng Ví dụ, ánh sáng đỏ xa làm đảo ngược tác Các phân tử chất diệp lục bắt đầu quang hợp dụng của phytochrome dẫn đến sự thay đổi trong bằng cách thu năng lượng ánh sáng và chuyển đổi nó biểu hiện của gene, cấu trúc thực vật và các đáp ứng thành năng lượng hóa học, năng lượng này chuyển tái sinh Thêm vào đó, quang phát sinh hình thái thực đổi nước và khí carbonic thành hợp chất hữu cơ cần vật còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quang kỳ thiết cho sự sống Có thể khái quát quá trình quang (cân bằng thời gian tối và sáng), chất lượng ánh sáng hợp bằng phương trình như sau: (cân bằng ánh tỷ lệ ánh sáng đỏ, xanh và đỏ xa), cường độ chiếu sáng… ánh sáng Trong nhiều nghiên cứu đã chứng minh, đèn CO2 +H2O ⎯⎯⎯⎯→ (CH2O)+O2 LED xanh với bước sóng (450 - 470 nm) và đèn LED đỏ với bước sóng (650 - 665 nm) là phổ hấp thụ Phân tử (CH2O)n được sử dụng để xây dựng và phù hợp với các sắc tố quang hợp carotenoid và tổng hợp cho các thành phần khác trong cơ thể thực chlorophyll Những thí nghiệm khác lại chứng minh vật cần sử dụng ánh sáng đỏ xa (730 - 735 nm) kết hợp với 2 loại ánh sáng trên trong nuôi cấy Dọc theo Chất diệp lục hấp thụ tốt nhất với các ánh sáng 396 Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 dòng của sự tiến bộ công nghệ LED, đèn LED trở dùng đèn LED để nghiên cứu sự hấp thụ photon và thành một nguồn ánh sáng nổi bật cho các hệ thống vận chuyển điện tử trong cơ thể thực vật, qua đó, có nuôi thâm canh cây trồng và nghiên cứu thuộc quang thể tiết kiệm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ sinh học Các thí nghiệm canh tác sử dụng nguồn ánh sáng như vậy đang trở nên ngày càng phổ biến Ngoài những ưu điểm nổi bật, đèn LED còn có Các nghiên cứu sinh lý và nuôi trồng thực vật sử những nhược điểm làm cho nguồn chiếu sáng này dụng hệ thống chiếu sáng đèn LED bắt đầu từ trong chưa có thể ứng dụng trên diện rộng thập niên 90 và sẽ tiếp tục phát triển trong thiên niên kỷ mới Những nghiên cứu đã xác nhận, đèn LED rất - Công nghệ sản xuất đèn LED hiện đang đắt thích hợp cho canh tác một số loại cây trồng, cây ăn hơn so với công nghệ sản xuất các nguồn sáng không trái, rau, hoa và tảo thường khác Nên giá thành của đèn LED thường cao hơn Ngoài ra, còn thêm chi phí bổ sung cho mạch QUANG KỲ, CHIẾU SÁNG GIÁN ĐOẠN VÀ chuyển đồi dòng điện xoay chiều thành 1 chiều cung TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG cấp cho đèn LED thương mại Hằng số thời gian cho quá trình quang hợp có - Đèn LED phát nhiệt ít, tuy nhiên, các mạch thể được chia thành ba phạm vi: quang hóa học, vận điện tử chuyển đồi năng lượng cung cấp cho đèn chuyển điện tử và quá trình trao đổi chất carbon Ba LED lại phát nhiệt Điều đó đồng nghĩa với việc giai đoạn của quang hợp có thể được tách riêng bằng giảm hiệu suất chuyển đối điện năng thành ánh sáng cách cung cấp các photon ánh sáng trong phạm vi của đèn LED và thất thoát một lượng điện năng thích hợp cho mỗi quá trình Tuy nhiên, dựa vào nhu không cần thiết cầu ánh sáng thì quá trình quang hợp có thể chia thành 2 giai đoạn là pha sáng quang hợp (cần ánh - Hiệu quả chiếu sáng của đèn LED sẽ giảm khi sáng) và pha tối quang hợp (không cần ánh sáng) tăng dòng điện Nhiệt độ cũng tăng lên khi dòng điện Khả năng dao động linh hoạt của đèn LED có thể tăng cao làm ảnh hưởng tuổi thọ của đèn LED được sử dụng với các đặc tính quang hợp để tìm ra Những hiệu ứng không mong muốn này đã làm hạn được cách thức hài hòa giữa hiệu quả tích tũy năng chế các ứng dụng LED công suất cao (Efemov et al., lượng của thực vật và tiết kiệm năng lượng trong 2006) thắp sáng - Đèn LED thường phát ra ánh sáng theo một Tennessen và đồng tác giả (1995) sử dụng đèn hướng tại một góc hẹp hơn so với đèn sợi đốt hay LED để nghiên cứu tác động của dòng photon ánh đèn huỳnh quang với cùng cường độ ánh sáng sáng (micro đến milli giây) đến quá trình quang hợp của lá Cà chua còn nguyên vẹn Tennessen đã phát - Đèn LED thu hút côn trùng nhiều hơn so với hiện ra rằng, dòng photon với 5.000 µmol.m-2 trong các nguồn chiếu sáng truyền thống khác Theo 150 µs được cung cấp trong chu kỳ sáng là 1,5 µs nghiên cứu của Pawson và Bader thì đèn LED thu tương đương với 50 µmol.m-2 theo sau bởi 148,5 µs hút côn trùng cao hơn 48% so với đèn cao áp natri chu kỳ tối thì hiệu quả quang hợp trên cây cà chua (Pawson, Bader, 2014) Vấn đề này cần được xem tương đương với quá trình chiếu sáng liên tục ở cùng xét kỹ khi ứng dụng đèn LED ở vườn ươm và nhà cường độ ánh sáng Về mặt lý thuyết, thời gian sáng kính trồng cây trong chu kỳ là 100 ps (picrosecond) hoặc ngắn hơn là đủ để trung tâm phản ứng hấp thụ, lưu trữ và sử Một số các nghiên cứu tiên phong được xem xét dụng photon trong vận chuyển điện tử ở chu kỳ tối trong giai đoạn đầu phát triển của đèn LED: Sắc tố quang hợp không bị ảnh hưởng bởi phương pháp xử lý sáng gián đoạn Nghiên cứu này cho thấy, Bula và đồng tác giả (1991) đã chỉ ra rằng sinh thay vì ánh sáng liên tục, sử dụng hiệu quả tính toán trưởng rau diếp được thúc đẩy với đèn LED màu đỏ ánh sáng không liên tục (có nghĩa là tiêu thụ năng kết hợp với đèn ống huỳnh quang màu xanh (TFL) lượng ít hơn) có thể không ảnh hưởng đến sản xuất Hoenecke và đồng tác giả (1992) đã xác minh sự cần cây trồng Một đặc điểm ưu việt nữa của đèn LED là thiết của các photon màu xanh trong sản xuất cây có thể tắt và bật một cách nhanh chóng (200 ns) và giống rau diếp bằng cách sử dụng đèn LED màu đỏ không phải dễ dàng đạt được với các nguồn chiếu với màu xanh TFL Khi giá của cả hai đèn LED màu sáng khác Điều này có ý nghĩa khi quá trình quang xanh và đỏ đã giảm và độ sáng tăng lên đáng kể, kết hợp không cần phải chiếu sáng liên tục nên có thể quả nghiên cứu đã có thể được áp dụng trong sản xuất thương mại Tennessen và đồng tác giả (1994) đã so sánh quang hợp từ lá của Kudzu (Pueraria lobata) trong buồng 397 Dương Tấn Nhựt et al sinh trưởng được chiếu sáng bởi đèn LED so với một tạo cho sản xuất Những nguồn ánh sáng bao gồm: đèn hồ quang xenon Các phản ứng quang đồng hóa huỳnh quang (TFL), đèn sodium cao áp (HPS), kim CO2 dưới các đèn LED và đèn hồ quang xenon là như loại bóng đèn halogen (MHL) và đèn sợi đốt v.v… nhau Quá trình quang hợp khác biệt không có ý nghĩa Trong số đó, TFL đã được phổ biến nhất trong ngành giữa ánh sáng trắng và ánh sáng đỏ trong điều kiện CO2 công nghiệp phòng nuôi cấy mô Tuy nhiên, việc sử ở nồng độ cao Kết quả cho thấy, quang hợp bao gồm dụng của TFL tiêu thụ 65% tổng số điện trong một cả vận chuyển điện tử, trao đổi chất carbon và khí thải phòng thí nghiệm nuôi cấy mô, đó là chi phí cao ra sẽ được nghiên cứu hiệu quả và chính xác với độ tin nhất Kết quả là, các ngành công nghiệp liên tục tìm cậy cao khi sử dụng đèn LED kiếm các nguồn ánh sáng hiệu quả hơn Sự phát triển của LED độ sáng cao là một nguồn ánh sáng đầy hứa Okamoto và đồng tác giả (1997) đã nghiên cứu hẹn cho sự phát triển của thực vật trong môi trường ảnh hưởng của cường độ ánh sáng (PPFD) từ các tỷ được kiểm soát lệ khác nhau giữa ánh sáng đỏ và xanh đến sự sinh trưởng và phát sinh hình thái của cây Rau diếp Kết Trong những năm gần đây, với các kỹ thuật cải quả cho thấy chiều cao cây giảm khi PPFD của ánh tiến của đèn LED, một số lượng lớn các công bố sáng xanh gia tăng Các nghiên cứu cũng đã xác định thực hiện trên nhiều đối tượng thực vật khác nhau để được mối quan hệ giữa PPFD với việc tăng chiều chứng minh đèn LED sẽ trở thành nguồn chiếu sáng cao, khối lượng khô rễ thân và toàn bộ cây Rau diếp trong các phòng nuôi cấy mô Các công bố đều tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của đèn LED đơn lẻ hay ĐÈN LED VÀ NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO THỰC VẬT kết hợp lên sự sinh trưởng và phát sinh hình thái của cây trồng Sự gia tăng các chỉ tiêu sinh trưởng như Nuôi cấy mô là sự phát triển của các mô thực vật khối lượng tươi, khối lượng khô được ghi nhận khi hoặc các tế bào trong một môi trường có kiểm soát cây nuôi cấy dưới điều kiện chiếu sáng LED xanh và (một môi trường sinh trưởng lý tưởng, nơi được vô LED đỏ kết hợp tốt hơn so với LED đơn lẻ (Nhut, trùng với vi sinh vật và các chất ô nhiễm khác), được 2002; Lian et al., 2002; Kim et al., 2004; Poudel et sử dụng rộng rãi trong khoa học thực vật và một số al., 2008; Shin et al., 2008; Li et al., 2010) Khối ứng dụng thương mại Môi trường được kiểm soát lượng tươi và khô của cây bông vải cao nhất khi cho nuôi cấy mô tế bào thực vật thường không khí được nuôi cấy dưới điều kiện LED xanh và LED đỏ được lọc, nhiệt độ ổn định, nguồn ánh sáng ổn định, kết hợp vởi tỉ lệ 1:1 Kết quả tương tự được ghi nhận và các môi trường nuôi cấy trở thành công thức trên đối tượng cây Cúc trong nghiên cứu của Kim và (chẳng hạn như dung dịch nuôi cấy hoặc môi trường đồng tác giả (2004) thạch) Vi nhân giống, một hình thức nuôi cấy mô thực vật, được sử dụng rộng rãi trong lâm nghiệp và Hahn và đồng tác giả (2000) đã báo cáo rằng tốc trồng hoa Nó cũng được sử dụng cho các loài cây độ quang hợp của cây Địa hoàng nuôi cấy in vitro là quý hiếm hoặc có nguy cơ tuyệt chủng bảo tồn Các rất cao dưới hệ thống LED hỗn hợp (50% LED đỏ và ứng dụng khác của vi nhân giống bao gồm: (1) Thử 50% LED xanh) hoặc dưới đèn huỳnh quang, trong nghiệm ngắn cho các nghiên cứu xây dựng, biến đổi khi đó cây con nuôi cấy dưới hệ thống LED xanh và tái sinh thực vật chuyển gene (2) Lai tạo và tái hoặc LED đỏ có tốc độ quang hợp rất thấp Cường sinh các loài xa có liên quan (3) Sàng lọc các tế bào độ photon cao của LED xanh, đỏ và độ dài bước có đặc điểm tốt (ví dụ: chịu được hoặc kháng thuốc sóng đặc trưng của chúng làm cho hệ thống đèn mới diệt cỏ) (4) Cứu phôi (Phôi thường chết khi xảy ra này mang lại nhiều thuận lợi hiện tượng lai xa liên quan đến loài và nuôi cấy mô tế bào thực vật có thể khắc phục được vấn đề này) Các loại cây con Dâu Tây, Bạch Đàn, Địa (5) Sinh trưởng nhanh của tế bào thực vật trong Lan, Hồ Điệp và Chuối có thân kéo dài dưới hệ bioreactor nuôi cấy lỏng như là nguồn sản xuất chất thống LED đỏ, còn cây Lan Ý lại tăng trưởng thứ cấp (Tái tổ hợp protein được sử dụng như dược bình thường ở điều kiện này Những cây con có sinh học) (6) Đa bội hóa cây trồng như một phương thân được kéo dài dưới hệ thống LED đỏ thường pháp nhanh trong chương trình chọn giống (Thường mảnh, lá hơi vàng, có lượng chlorophyll ít hơn, sử dụng colchicine trong đa bội hóa nhiễm sắc thể) tốc độ quang hợp, khối lượng tươi của thân và rễ cũng thấp hơn so vơi những cây được nuôi Nuôi cấy mô và các ngành công nghiệp nhân dưới hệ thống LED kết hợp đỏ và xanh (Nhut, giống từ lâu đã được sử dụng nguồn ánh sáng nhân 2002) (Hình 2) Phản ứng của cây con được nuôi cấy với tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh khác 398 Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 nhau đã được xem xét trên qui mô thương mại sáng xanh/đỏ Nhiều nghiên cứu đã nỗ lực tìm Phản ứng này tùy thuộc vào loài thực vật, yêu ra vai trò của việc kết hợp ánh sáng xanh và đỏ cầu được đặt ra của các nghiên cứu này là tỷ lệ nhưng vẫn chưa làm rõ được chi tiết chất lượng ánh sáng xanh/đỏ thích hợp nhất cho mỗi loại ánh sáng Mặc dù, tác động riêng rẽ của từng cây trồng Công việc này đóng vai trò quyết loại ánh sáng đã được nghiên cứu khá kỹ định trong việc xác định chi tiết nhu cầu ánh Hình 2 Sinh trưởng của một số loại cây trồng ở giai đoạn in vitro dưới hệ thống chiếu sáng LED và sinh trưởng tiếp theo của chúng ở giai đoạn vườn ươm a,a1 cây Bạch đàn; b,b1: cây Lan ý; c,c1: cây Dâu tây; d,d1: cây Chuối; e: cây Địa lan; f: cây Hồ điệp (Nhut, 2002) (R: LED đỏ; B: LED xanh; PGF-Plant growth fluorescent: cây sinh trương dưới ánh sáng huỳnh quang) 399 Dương Tấn Nhựt et al Ánh sáng đỏ đã được nghiên cứu như một tác máy quang hợp Tuy nhiên, Chee (1986) lại báo cáo nhân tác động đến sự phát triển của cây trồng thông số lượng chồi đạt cao nhất khi giống Nho không hạt qua kiểm soát cân bằng hoạt động của quá trình tổng phát triển dưới ánh sáng xanh Dường như sự kích hợp các phytohormone Kích hoạt các sắc tố đỏ và đỏ thích hay ức chế chiều dài chồi giữa các tỷ lệ ánh sáng xa bằng ánh sáng đỏ đồng nghĩa với việc kích hoạt các đỏ/xanh thì phụ thuộc vào phytochrome và các thụ hệ thống enzyme oxy hóa chuyển đổi các cofactor như quan ánh sáng khác ở các loài khác nhau (Kim et al., naringenin, apigenin và các dẫn xuất kaempferol trong 2004) Một số trường hợp, sự sinh trưởng thực vật tốt quá trình tổng hợp IAA oxidase, enzyme này có vai nhất với 10% ánh sáng LED xanh được bổ sung, trong trò giúp cân bằng nồng độ IAA trong cơ thể thực vật khi đó, một số trường hợp khác tỉ lệ LED xanh phải (Mumford et al., 1961) Các nghiên cứu hiện nay cho chiếm tới 30% khi kết hợp với ánh sáng LED đỏ thấy dưới ánh sáng LED đỏ, các chồi và chiều dài đốt (Nhut, Nam, 2010) Tỉ lệ xanh/đỏ khác nhau ảnh thân đều kéo dài ở nhiều loài thực vật như nghiên cứu hưởng khác nhau đến phát sinh hình thái chồi ở cây của Kim và đồng tác giả trên đối tượng cây Cúc (Kim Hồng môn, phần trăm tái sinh chồi cao nhất khi tỉ lệ et al., 2004), Azorina vidalii (Wats.) Feer (Moreira da ánh sáng LED đỏ nhiều hơn xanh, nhưng số chồi hình Silva, Debergh, 1997) Tuy nhiên, ở một vài nghiên thành nhiều nhất khi tỉ lệ LED xanh nhiều hơn đỏ cứu, ánh sáng đỏ tỏ ra không phù hợp với sự kéo dài (Budiarto, 2010) Đáp ứng khác nhau của phôi sinh thân Hahn và đồng tác giả (2000) báo cáo hiệu ứng dưỡng dưới các bước sóng LED khác nhau ở các loài ngược lại của ánh sáng đỏ đối với sự tăng trường của thông cũng được nghiên cứu Bước sóng đỏ ảnh cây Địa hoàng Dưới vùng ánh sáng đỏ cây Địa hoàng hưởng tích cực đối với khả năng nảy mầm ở 3 loài không những không kéo dài thân mà khối lượng tươi thông được nghiên cứu (Merkle et al., 2005) Sự kết và tốc độ quang hợp cũng đạt thấp hơn so với dưới hợp giữa LED đỏ và đỏ xa kích thích sự hình thành các điều kiện chiếu sáng LED xanh Kết quả trên cho phôi ở loài Doritaenopsis nhưng vẫn giữ hiện thượng thấy, tùy các loài thực vật khác nhau mà phản ứng của nội phân ở mức thấp (Park et al., 2010) Quang phổ chúng với từng loại ánh sáng sẽ khác nhau Tennessen của ánh sáng LED cũng ảnh hưởng đến sự tái sinh từ và đồng tác giả (1994) cũng cho rằng ánh sáng đỏ gây vẩy củ của cây Lilium oriental hybrid “Pesaro” Số mất cân bằng phân phối năng lượng ánh sáng cho hệ lượng củ thu được cao nhất trong điều kiện tối và ánh thống quang hóa I và II, do đó ức chế sự phát triển của sáng LED bổ sung riêng lẻ Sự kết hợp giữa LED cây Ức chế sự phát triển của chồi được quan sát dưới xanh và LED đỏ kích thích sự gia tăng kích thước, ánh sáng đỏ ở thực vật có hoa thân thảo như cây cúc khối lượng tươi và khô của củ (Lian et al., 2002) Ánh Vạn thọ và cây Salivia (Heo et al., 2002) Trong khi sáng LED đỏ kết hợp với LED xanh cũng làm tăng sự đó, ánh sáng xanh lại có tác động ngược lại Ức chế sự hình thành PLB của lan Hồ điệp (Nhut et al., 2006) Ở tăng trưởng bằng ánh sáng xanh đã được báo cáo trên cây Địa lan, số lượng PLB hình thành cao nhất dưới tỉ nhiều đối tượng khác nhau Moreira da Silva và lệ 25% LED đỏ kết hợp với 75% LED xanh (Huan, Degergh (1997) chỉ ra rằng chiều cao và chiều dài đốt Tanaka, 2004) Ánh sáng LED xanh được cho là điều thân của cây A vidalii (Wats.) Feer bị ngắn khi sinh kiện tốt nhất cho sự hình thành chồi từ PLB của cây trưởng dưới vùng ánh sáng xanh dương Ánh sáng Dendrobium officinale nuôi cấy in vitro (Lin et al., xanh làm ức chế tăng trưởng và những thay đổi trong 2010) Vai trò của chất lượng ánh sáng đối với quá hình thái giải phẫu thân và lá ở cây Tiêu nuôi cấy in trình phát sinh hình thái thực vật vẫn chưa được rõ vitro (Schuerger et al., 1997) Mortensen và Stromme ràng, nó phụ thuộc vào độ dài bước sóng phát ra, loại (1987) cũng quan sát thấy sự ức chế tăng trưởng dưới cây trồng được nghiên cứu, các giai đoạn phát triển ánh sáng xanh ở nhiều loại cây trồng trong nhà kính của thực vật và điều kiện môi trường nuôi cấy như Trong khi đó, Kraepiel và Mipiniac (1997) nhấn mạnh cường độ ánh sáng (Anzelika et al., 2008), thành phần tầm quan trọng của ánh sáng xanh trong việc đóng mở môi trường (Schuerger et al., 1997) hay điều kiện khí khổng Ánh sáng màu xanh có vai trò trong sự thoáng khí (Hahn et al., 2000) hình thành diệp lục ở thực vật (Akoyunoglou, Anni 1984) Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng tích cực trong biểu Hàm lượng chlorophyll ở các mẫu cấy dưới các hiện hoạt động của gene ở cả trong nhân lẫn gene ở điều kiện chiếu sáng LED khác nhau sẽ khác nhau lạp thể và trong quá trình phát triển bộ máy quang hợp Vài nghiên cứu cho thấy ánh sáng LED xanh là điều ở tế bào thực vật (Richter, Wessel, 1985) Topchiy và kiện tốt cho quá trình hình thành chlorophyll, nhưng đồng tác giả (2005) báo cáo rằng sự khác biệt trong LED đỏ lại có tác dụng ngược lại (Tanaka et al., 1998; quang phổ bức xạ ảnh hưởng đến chất lượng các Li et al., 2010), trong khi đó, β-carotene hình thành thành phần của protein tham gia cấu tạo sắc tố và bộ dưới ánh sáng LED đỏ (Wu et al., 2007) và carotenoids được cảm ứng bởi LED xanh và ánh sáng 400 Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 huỳnh quang (Shin et al., 2008) Kim và đồng tác giả cây, tỉ lệ hoa trưởng thành và nở sớm được ghi nhận (2004) nhấn mạnh vai trò của ánh sáng xanh đến sự dưới điều kiện đèn huỳnh quang Điều này cho thấy, hình thành chlorophyll và sự phát triển của lục lạp ở ánh sáng LED có vai trò trong quá trình ra hoa ở các cây Cúc nuôi cấy loài cây ra hoa bất định những loài mà không cần các tín hiệu cảm ứng ra hoa (Dewir et al., 2006) Chất lượng ánh sáng ảnh hưởng đến hàm lượng sucrose, tinh bột, đường hòa tan và tốc độ quang hợp Quá trình thích nghi là bước cuối cùng trong vi của các mẫu cấy nuôi cấy in vitro cũng được nghiên nhân giống Trong quá trình này, cây phải thích nghi cứu Sự gia tăng hàm lượng sucrose, tinh bột và với những điều kiện môi trường mới trong nhà kính đường hòa tan trong cây Bông vải được nuôi cấy dưới hoặc ngoài đồng ruộng Trạng thái cuối cùng của cây ánh sáng LED đỏ (Li et al., 2010), trong khi đó, sự kết nuôi cấy mô là phải thích nghi tốt với điều kiện ex hợp giữa LED xanh và LED đỏ lại hiệu quả ở cây Nho vitro Sự sinh trưởng tốt ở giai đoạn in vitro dưới tỉ lệ (Heo et al., 2006) và Doritaenopsis (Shin et al., chiếu sáng 80% LED đỏ kết hợp với 20% LED xanh 2008) Điều hòa trao đổi carbonhydrate bởi ánh sáng giúp cây Lan ý sinh trưởng tốt ngoài vườn ươm (Nhut đã được báo cáo bởi Kowallik, 1982 Ánh sáng đỏ et al., 2005), điều đó tương tự như cây Dâu tây sinh nhiều khả năng ngăn cản sự vận chuyển sản phẩm của trưởng in vitro dưới điều kiện 70% LED đỏ kết hợp quang hợp và vì thế có sự gia tăng hàm lượng tinh bột với 30% LED xanh (Nhut et al., 2003) ở lá (Soebo et al., 1995) Goins và đồng tác giả (1997) cho thấy có sự gia tăng tốc độ quang hợp và hoạt động Vai trò của ánh sáng đơn sắc trong vi nhân giống của khí khổng của lá Lúa mỳ dưới điều kiện LED đỏ đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới Ở Việt Nam và LED xanh kết hợp thì nguồn sáng này chưa được chú trọng Từ năm 2002 đến nay, Dương Tấn Nhựt và đồng tác giả đã Quá trình ra rễ in vitro cũng ảnh hưởng bởi đèn ứng dụng thành công hệ thống phát sáng LED trên LED Rễ cây Hông môn hình thành nhiều nhất dưới một số loại cây trồng như Cúc, sâm Ngọc linh, Thu điều kiện tỉ lệ LED đỏ kết hợp với LED xanh hải đường… Những cây trồng nuôi cấy dưới hệ (Budiarto, 2010) Ảnh hưởng của ánh sáng đỏ đến quá thống đèn LED không những sự sinh trưởng và phát trình hình thành rễ của chồi phụ thuộc vào kiểu gen và triển tốt ở điều kiện in vitro, mà còn cả ở điều kiện giá thể nuôi cấy Rễ Doritaenopsis hình thành nhiều ex vitro Những nghiên cứu về giải phẫu học, quang dưới LED xanh và ngăn cản sự hình thành rễ dưới hợp cũng chứng minh rằng những cây nuôi cấy dưới LED đỏ (Shin et al., 2008) Chất lượng ánh sáng có hệ thống LED thì tốt hơn khi so sánh với hệ thống thể thúc đẩy sự phát triển của rễ giúp rút ngắn thời chiếu sáng bằng đèn neon (Dương Tấn Nhựt, 2010) gian nuôi cấy và giảm giá thành cây giống Đó cũng chính là lý do hệ thống chiếu sáng LED có thể cũng Lê Thế Biên và đồng tác giả (2013) đã cho thấy được sử dụng ở giai đoạn ra rễ trong quá trình vi nhân chồi Thu hải đường tái sinh từ lớp mỏng tế bào tốt giống Hệ thống chiếu sáng LED còn được sử dụng nhất dưới tỉ lệ 80% LED đỏ kết hợp với 20% LED trong quá trình nảy mầm và phát triển của cây con in xanh Trong khi đó, dưới điều kiện 70% LED đỏ kết vitro Hạt của cây Bletilla ochracea đạt tỉ lệ nảy mầm hợp với 30% LED xanh cho hiệu quả trong quá trình cao nhất với tỉ lệ 74% với LED xanh lá cây và LED tái sinh chồi từ lá và lớp mỏng tế bào từ thân của cây vàng (Godo et al., 2011) Bước sóng từ 590 nm đến Cúc (Hình 3a,b) (Nguyễn Bá Nam et al., 2012) 625 nm là điều kiện tốt nhất để hình thành thân rễ của Hoàng Văn Cương và đồng tác giả (2012) đã khảo cây Bletilla ochracea Sau 3 tháng nuôi cấy, diện tích sát sự sinh trưởng và tích lũy các hợp chất saponin lá mở rộng dưới LED trắng và LED xanh, trong khi dưới 6 điều kiện chiếu sáng khác nhau: 100% ánh đó, LED xanh lá cây, vàng và đỏ lại có ảnh hưởng sáng xanh, 100% ánh sáng đỏ, ánh sáng xanh và ánh ngược lại sáng đỏ kết hợp với tỉ lệ 50:50, 30:70, 20:80; ánh sáng huỳnh quang được sử dụng làm đối chứng Kết Ngoài các chương trình phát sinh hình thái trên, quả cho thấy khối lượng tươi và khối lượng khô của đèn LED còn ứng dụng trong nghiên cứu đến quá mô sẹo thu được là cao nhất (tương ứng 0,274 và trình ra hoa ở thực vật Ánh sáng xanh, đỏ + đỏ xa, 0,030g) khi các mẫu lá được nuôi cấy dưới ánh sáng xanh + đỏ xa của đèn LED kích thích sự hình thành ánh sáng xanh và ánh sáng đỏ kết hợp với tỉ lệ 50:50 hoa in vitro của cây Bát tiên nhưng nếu sử dụng LED Quá trình tăng sinh mô sẹo hiệu quả nhất khi các mô đỏ riêng lẽ lại làm giảm phần trăm hình thành hoa sẹo được nuôi cấy dưới điều kiện chiếu sáng là ánh Hơn nữa với các điều kiện LED xanh, đỏ, sáng xanh và ánh sáng đỏ kết hợp với tỉ lệ 50:50, với xanh + đỏ xa làm trì hoãn quá trình ra hoa Tỉ lệ hình khối lượng tươi và khối lượng khô của mô sẹo là lớn thành hoa cao nhất (90%), số hoa hình thành trên mỗi nhất (tương ứng 0,748 và 0,064g) 401 Dương Tấn Nhựt et al Hình 3 Hệ thống chiếu sáng LED trong nhân giống cây hoa Cúc qua các giai đoạn phát triển a,b: giai đoạn tái sinh chồi và hình thái giải phẫu từ lớp mỏng tế bào thân cắt dọc (a) và từ lá (b); c,d: sinh trưởng của cây Cúc trong giai đoạn in vitro; e,f: sinh trưởng và phát triển của cây Cúc trong nhà kính dưới điều kiện chiếu sáng bổ sung bằng đèn compact 3U và đèn LED (Nam et al., 2012, 2014; Nhut, Nam, 2009) (FL-Flourescent lamp: đèn huỳnh quang, T: tuần; R: LED đỏ; B: LED xanh) Ánh sáng xanh và ánh sáng đỏ kết hợp với tỉ lệ cấy in vitro, tuy nhiên, kết quả phân tích sắc ký lỏng 50:50 cũng là nguồn sáng thích hợp nhất cho sự sinh cao áp cho thấy, Các cây được nuôi cấy dưới ánh trưởng và phát triển của cây sâm Ngọc Linh nuôi sáng huỳnh quang cho sự tích lũy saponin là cao 402 Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 nhất (0,2422% Rb1 và 0,7081% MR2) Ngoài MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC CỦA ĐÈN LED những nghiên cứu tái sinh và tích lũy hợp chất thứ TRONG CÁC LĨNH VỰC NÔNG NGHIỆP KHÁC cấp, sự sinh trưởng và phát triển dưới ánh sáng LED đỏ và xanh cũng được thực hiện Dương Tấn Nhựt Nông nghiệp trong không gian và Nguyễn Bá Nam (2009) chỉ ra rằng, chồi Cúc phát triển tốt nhất dưới điều kiện chiếu sáng 90% Thực vật là nguồn lựa chọn duy nhất có thể tạo ra ánh sáng LED đỏ kết hợp với 10% ánh sáng LED đủ lương thực, nước và oxy giúp cho các nhà thám xanh và cho khối lượng tươi và số lá lớn nhất so với hiểm tự cung cấp trên các trạm không gian, tàu vũ trụ các điều kiện chiếu sáng còn lại Những cây Cúc có để chinh phục mặt trăng, sao hỏa và xa hơn nữa Để sử nguồn gốc từ hệ thống chiếu sáng 90% ánh sáng LED dụng được thực vật, phải có nguồn chiếu sáng Tiêu đỏ kết hợp với 10% ánh sáng LED xanh có khả năng chuẩn của nguồn chiếu sáng sử dụng trong nông nghiệp sinh trưởng và phát triển tốt nhất ở điều kiện vườn và nhà kính hoặc buồng sinh trưởng trên trái đất không ươm so với những cây từ các hệ thống chiếu sáng còn thể sử dụng trên các tàu vũ trụ Trong khi đó, đoàn lại (Hình 3c,d) Gần đây, Nguyễn Thanh Sang và đồng thám hiểm phải làm việc bên ngoài quỹ đạo trái đất tác giả (2014) đã nghiên cứu tác động của các điều trong vài năm, việc nuôi trồng thực vật trong không đã kiện chiếu sáng khác nhau đến sự nhân chồi; sinh được tính đến và đèn LED với các ưu điểm: an toàn, trưởng, phát triển và tổng hợp chlorophyll a và b của khối lượng nhỏ, bước sóng đặc trưng, tuổi thọ cao… từ cây cúc in vitro Các đốt thân và các chồi đỉnh cúc lâu đã được đề xuất như là nguồn chiếu sáng chính cho được nuôi cấy dưới các điều kiện chiếu sáng khác các phòng nghiên cứu nuôi trồng thực vật trong không nhau bao gồm LED đỏ, LED xanh, LED vàng, LED gian (Bula et al., 1991) xanh lá cây, LED trắng và LED đỏ kết hợp với LED xanh theo nhiều tỷ lệ khác nhau (10:90, 20:80, 30:70, Đèn LED hồng ngoại thường được sử dụng 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20 và 90:10) Kết quả trong điều khiển từ xa các thiết bị khác Johnson và thu được sau 4 tuần nuôi cấy trên môi trường nhân đồng tác giả (1996) đã sử dụng loại đèn này trong chồi cho thấy, chiều dài lá, chiều rộng lá, khối lượng nuôi cấy cây Yến mạch (Avena sativa cv Seger) Đã tươi và khối lượng khô của chồi đạt tốt nhất ở 50% có sự khác biệt của hạt giống nảy mầm về tăng LED đỏ và 50% LED xanh Sau 6 tuần nuôi cấy trên trưởng và đáp ứng trọng trường khi được chiếu sáng môi trường tạo cây cho thấy, khối lượng tươi, khối bằng đèn LED hồng ngoại với điều kiện trong tối ở lượng khô, chiều dài lá và chiều rộng lá của cây đạt tốt cùng nhiệt độ Nghiên cứu này đã cho thấy cây Yến nhất ở 70% LED đỏ và 30% LED xanh Bên cạnh đó, mạch có thể sinh trưởng bình thường trong điều kiện hàm lượng chlorophyll a (29,20 µg/cm2) và chiếu sáng đèn LED hồng ngoại Thông qua kết quả chlorophyll b (14,57 µg/cm2) của cây đạt cao nhất ở trên các nhà nghiên cứu đã mở rộng trên các đối 70% LED đỏ và 30% LED xanh Đèn LED đã được tượng khác và phạm vi quy định của các loại bước sử dụng trong phòng thí nghiệm từ rất sớm tuy nhiên sóng tham gia vào lực hấp dẫn bức xạ tác động đến việc ứng dụng ở giai đoạn vườn ươm còn rất hạn chế sự phát triển bình thường của cây trồng như các Năm 2014, Nguyễn Bá Nam và đồng tác giả đã sử bước sóng vùng ngoài hồng ngoại của quang phổ dụng đèn LED để bổ sung chiếu sáng vào ban đêm để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến sự sinh trưởng Goin và đồng tác giả (1997) đã nghiên cứu sự và phát triển của các giống Cúc “Đóa vàng”, phát triển của cây Lúa mì dưới điều kiện LED đỏ, so “Sapphire” và “Kim cương” được trồng trong nhà sánh với điều kiện ánh sáng trắng và ánh sáng LED kính Đèn compact 3U được sử dụng làm nghiệm thức đỏ bổ sung ánh sáng đèn huỳnh quang xanh Kết quả đối chứng Kết quả cho thấy, tỉ lệ 70% LED đỏ kết cho thấy, trồng Lúa mì dưới đèn LED đỏ sinh trưởng hợp với 30% LED xanh phù hợp cho sự sinh trưởng kém, năng suất hạt giống thấp hơn so với dưới điều và phát triển của cây Cúc giống Sapphire và Kim kiện ánh sáng trắng Nhưng khi bổ sung 10% ánh cương, trong khi đó, tỉ lệ 60% LED đỏ kết hợp với sáng huỳnh quang xanh thì chất lượng hạt giống và 40% LED xanh phù hợp cho sự sinh trưởng và phát trong lượng khô của chồi đạt cao nhất so với các triển của cây Cúc giống Đóa vàng Kết quả này có thể điều kiện chiếu sáng còn lại khẳng định, đèn LED thích hợp để thay thế đèn compact 3U trong việc chiếu sáng cây Cúc trồng trong Nhóm nghiên cứu của Goin cũng đã tiếp tục nhà kính (Hình 3e,f) Tuy nhiên, đây chỉ là bước đầu nghiên cứu sự sinh trưởng của Rau diếp và Củ cải trong việc ứng dụng LED ở điều kiện đồng ruộng cần dưới hệ thống chiếu sáng đèn LED xanh và đỏ kết có nhiều nghiên cứu để chứng minh hiệu quả của hệ hợp Các nhà nghiên cứu hy vọng các nhà du hành thống chiếu sáng LED trong nông nghiệp vũ trụ có thể thu hoạch rau sống, các loại thảo mộc và rau quả trên các trạm không gian 403 Dương Tấn Nhựt et al Nuôi cấy tảo Giảm bệnh cây trồng Algaculture, là hình thức nuôi trồng các loài Schuerger và Brown (1994) đã sử dụng các dãy Tảo, tạo một nguồn nguyên liệu lớn được sử dụng LED với quang phổ khác nhau để xác định ảnh trong các ngành nhựa sinh học, dược phẩm, nhiên hưởng của ánh sáng đến sự phát triển của virus khảm liệu tảo, kiểm soát ô nhiễm, cũng như thuốc nhuộm Cà chua (ToMV) trong ớt và bệnh phấn trắng trên và chất màu Algaculture cũng cung cấp nguồn thực Dưa chuột Nghiên cứu này chứng minh chất lượng phẩm hy vọng trong tương lai quang phổ có thể làm giảm bệnh hại và có thể trở thành chương trình hữu ích trong quản lý dịch bệnh Tảo có thể được trồng trong photobioreactor tổng hợp (PBR), một bioreactor trong đó kết hợp một số loại nguồn sáng PBR là một hệ thống khép kín, trái KẾT LUẬN ngược với một bể hoặc ao mở Tất cả các chất dinh dưỡng thiết yếu phải được đưa vào hệ thống để cho LED là nguồn ánh sáng đầu tiên có thể cung cấp phép tảo phát triển và sinh trưởng PBR kéo dài giai ánh sáng có khả năng kiểm soát đúng thành phần đoạn sinh trưởng và cho phép nuôi trồng với nhiều quang phổ và bước sóng phù hợp với tế bào nhận loài tảo Khi tảo phát triển, sản phẩm tảo dư thừa sẽ kích thích ánh sáng nhằm điều khiển sự phát sinh tràn ra và được thu hoạch Matthijs và đồng tác giả hình thái thực vật theo ý muốn trong quá trình nuôi (1996) đã sử dụng đèn LED làm nguồn sáng duy cấy Chúng có thể dễ dàng tích hợp vào hệ thống nhất trong nuôi cấy Tảo xanh (Chlorella điều khiển kỹ thuật số, tạo điều kiện thuận lợi cho pyrenoidosa) Nghiên cứu đã tìm thấy ánh sáng của các chương trình chiếu sáng phức tạp như thay đổi đèn LED giúp tảo sinh trưởng một cách tối đa thành phần quang phổ trong quang chu kỳ hoặc với Nghiên cứu này cũng kết luận, việc sử dụng đèn giai đoạn phát triển cây trồng Đèn LED không chứa LED nhấp nháy (có nghĩa là ánh sáng không liên thủy ngân Chúng an toàn hơn trong hoạt động so với tục) trong nuôi cấy Tảo có thể tiết kiệm năng lượng các loại đèn hiện nay vì không dùng thủy tinh làm vỏ so với nguồn ánh sáng huỳnh quang Một lợi thế nữa bọc và chịu được nhiệt độ cao là năng lượng thất thoát nhiệt nhỏ hơn nhiều Trong khi đó, việc kết hợp ánh sáng xanh với ánh sáng Trong khi quá trình quang hợp không đòi hỏi LED màu đỏ không thay đổi các thuộc tính tăng ánh sáng liên tục và quang phổ đầy đủ, đèn LED có trưởng Để tận dụng lợi thế về tiềm năng công nghệ thể cung cấp photon với bước sóng cụ thể và linh sinh học từ Tảo, Lee và Palsson (1994) đã tính toán hoạt trong điều khiển Như vậy, cơ chế quang hợp giá trị lý thuyết cần thiết của khối lượng không khí cùng với các đặc tính của đèn LED tạo thành hai và cường độ ánh sáng trong nuôi cấy tảo với mật độ cách tiết kiệm năng lượng (cắt phân đoạn phổ không cao dưới ánh sáng đơn sắc 680 nm từ các đèn LED cần thiết và tắt ánh sáng định kỳ) Điều này không dễ như ánh sáng nguồn chính Nhóm tác giả cũng đã dàng đạt được với các nguồn sáng khác thiết kế một PBR mẫu thử nghiệm dựa trên những tính toán này Sử dụng dòng hồi lưu cung cấp môi Bài viết này đánh giá tổng quát các ứng dụng trường mới, các nhà nghiên cứu đã đạt được nồng độ của đèn LED trong nuôi cấy mô tế bào thực vật và tế bào là 2 x109 tế bào/ml (hơn 6,6%, v/v), tế bào canh tác cây trồng Các nghiên cứu này mở đường tăng gấp đôi với thời gian dưới 12 h, và tốc độ sản cho những nghiên cứu trên các loài khác nhau, củng xuất oxy cao hơn 10 mmol oxygen/l trong 1 giờ nuôi cố kết luận đèn LED đủ điều kiện để thay thế các cấy Nghiên cứu này chỉ ra rằng sự phát triển hệ thiết bị chiếu sáng khác trong nghiên cứu nông thống chiếu sáng LED trong nuôi Tảo mang lại hiệu nghiệp Với năng lượng có thể tiết kiệm, LED trở quả kinh tế đáng kể Một nghiên cứu khác của nuôi thành phương án lựa chọn tốt nhất cho thiết bị chiếu cấy Tảo thông qua đèn LED được thực hiện bởi sáng trong phòng nuôi cấy và nhà kính quy mô lớn Nedbal và đồng tác giả (1996) Nghiên cứu này chỉ rõ tác động biến đổi trên một loạt các loại Tảo trong Lời cảm ơn: Các tác giả xin chân thành cảm ơn nuôi cấy lỏng bằng cách sử dụng các dãy đèn LED Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia màu đỏ cung cấp ánh sáng không liên tục Kết quả (NAFOSTED - 106.16-2012.32) và Viện Hàn lâm xác nhận rằng tốc độ tảo tăng trưởng trong ánh sáng Khoa học và Công nghệ Việt Nam (TN3/C09, Dự án không liên tục cao hơn ánh sáng liên tục trong điều sản xuất thử nghiệm Sâm Ngọc Linh) đã tài trợ cho kiện nuôi cấy tương đương chúng tôi hoàn thành nghiên cứu này 404 Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 TÀI LIỆU THAM KHẢO emitting diode (LED) Plant Growth Reg 38: 225-230 Akoyunoglou G, Anni H (1984) Blue light effect on Hoàng Văn Cương, Nguyễn Bá Nam, Trần Công Luận, chloroplast development in higher plants In Senger H, ed Bùi Thế Vinh, Dương Tấn Nhựt (2012) Ảnh hưởng của Blue light effects in biological systems Springer-Verlag, ánh sáng đơn sắc lên sự sinh trưởng và khả năng tích lũy Berlin: 397-406 hoạt chất saponin thông qua nuôi cấy mô sẹo và cây sâm Ngọc Linh (Panax vietnamensis Ha et Grushv.) in vitro Anzelika K, Renata MC, Stase D, Silva Z, Genadij K, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 50(4): 475-490 Gintautas T, Pavelas D, Arturas Z (2008) In vitro culture of Chrysanthemum plantlets using light-emitting diodes Hoenecke ME, Bula RJ, Tibbitts TW (1992) Importance of Cent Eur J Biol 3: 161-167 ‘blue’ photon levels for lettuce seedlings grow under red light-emitting diodes HortScience 27: 427-430 Budiarto K (2010) Spectral quality affects morphogenesis on Anthurium plantlet during in vitro culture Agrivita 32: http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode 234-240 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/ Bula RJ, Morrow RC, Tibbitts TW, Ignatius RW, Martin TS, Barta DJ (1991) Light-mitting diodes as a radiation Huan LVT, Tanaka M (2004) Effects of red and blue light- source for plants HortScience 26: 203-205 emitting diodes on callus induction, callus proliferation and protocorm like body formation from callus in Chee R (1986) In vitro culture of Vitis: the effects of light Cymbidium orchid Environ Control Biol 42: 57-64 spectrum, manganese sulfate and potassium iodide on morphogenesis Plant Cell Tiss Org 1: 121-134 Johnson CF, Brown CS, Wheeler RM, Sager JC, Chapman DK, Deitzer GF (1996) Infrared light-emitting diode radiation Dewir YH, Chakrabarty D, Hahn EJ, Paek KY (2006) causes gravitropic and morphological effects in dark-grown Flowering of Euphorbia millii plantlets in vitro as affected oat seedlings Photochem Photobiol 63: 238-242 by paclobutrazol, light emitting diodes (LEDs) Acta Hortic 764: 169-173 Kim SJ, Hahn EJ, Heo JW, Paek KY (2004) Effects of LEDs on net photosynthetic rate, growth and leaf stomata of Dương Tấn Nhựt (2010) Một số phương pháp, hệ thống Chrysanthemum plantlets in vitro Sci Hortic 101: 143-151 mới trong nghiên cứu công nghệ sinh học thực vật NXB Nông Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Kowallik W (1982) Blue light effects on respiration Plant Physiol 33: 51-72 Dương Tấn Nhựt, Nguyễn Bá Nam (2009) Ảnh hưởng của hệ thống chiếu sáng đơn sắc lên sự sinh trưởng và phát Kraepiel Y, Mipiniac E (1997) Photomorphogenesis and triển của cây hoa Cúc (Chrysanthemum morifolium cv phytohormones Plant Cell Environ 20: 807-812 “nút”) nuôi cấy in vitro Tạp chí Công nghệ Sinh học 7(1): 93-100 Lê Thế Biên, Nguyễn Bá Nam, Ngô Thanh Tài, Hoàng Văn Cương, Dương Tấn Nhựt (2013) Ảnh hưởng của ánh Efremov AA, Bochkareva NI, Gorbunov RI, Lavrinovich sáng đơn sắc và loại mẫu đến cảm ứng tái sinh chồi từ lớp DA., Rebane YT, Tarkhin DV, Shreter YG (2006) Effect mỏng tế bào cây Thu hải đường (Begonia sp.) Hội nghị of the joule heating on the quantum efficiency and choice công nghệ sinh học toàn quốc 2013, Hà Nội: 701-705 of thermal conditions for high-power blue InGaN/GaN LEDs Semiconductors 40 (5): 605-610 Lee CG, Palsson B (1994) High-density algal photobioreactors using light-emitting diodes Biotechnol Godo T, Fujiwara K, Guan K, Miyoshi K (2011) Effect of Bioeng 44: 1161-1167 wavelength of LED-light on in vitro asymbiotic germination and seedling growth of Bletilla ochracea Li H, Xu Z, Tang C (2010) Effect of light-emitting diodes Schltr (Orchidaceae) Plant Biotechnol 28: 397-400 on growth and morphogenesis of upland cotton (Gossypium hirsutum L.) plantlets in vitro Plant Cell Tiss Goins GD, Yorio NC, Sanwo MM, Brown CS (1997) Org 103: 155-163 Photomorphogenesis, photosynthesis, and seed yield of wheat plants grown under red light-emitting diodes (LED) Lian ML, Murthy HN, Paek KY (2002) Effect of light- with and without supplemental blue lighting J Exp Bot 48: emitting diodes (LEDs) on the in vitro induction and 1407-1413 growth of bulblets of Lilium oriental hybrid ’Pesaro’ Sci Hortic 94: 365-370 Hahn EJ, Kozai T, Paek KY (2000) Blue and red light- emitting diodes with or without sucrose and ventilation Lin Y, Li J, Li B, He T, Chun Z (2010) Effects of light affects in vitro growth of Rehmannia glutinose plantlets J quality on growth and development of protocorm-like Plant Biol 43: 247-250 bodies of Dendrobium officinale in vitro Plant Cell Tissue Org 105: 329-335 Heo J, Lee C, Chakrabarty D, Paek KY (2002) Growth by monochromic or mixture radiation provided by a light- Matthijs, HCP, Balke H, Van Hes UM, Kroon BMA, Mur LR, Binot RA (1996) Application of light-emitting diodes in bioreactors: flashing light effects and energy economy 405 Dương Tấn Nhựt et al in Algal culture (Chlorella pyrenoidosa) Biotechnol Nhut DT, Takamura T, Watanabe H, Okamoto K, Tanaka Bioeng 50: 98-107 M (2005) Artificial light source using light-emitting diodes (LEDs) in the efficient micropropagation of Spathiphyllum Merkle SA, Montello PM, Xia X, Upchurch BL, Smith DR plantlets Acta Hortic 692: 137-142 (2005) Light quality treatments enhance somatic seedling production in three southern pine species Tree Physiol 26: Nhut TD, Loan PTL, Thao PTL, Suong TTN, Lien HV 187-194 (2006) Effects of some artificial lighting sources on the photomorphogenesis of callus induced embryo and the Moreira da Silva MH, Debergh PC (1997) The effect of light plantlet regeneration of Phalaenopsis amabilis and its quality on the morphogenesis of in vitro cultures of Azorina applications in micropropagation In: Proceedings of vidalii (Wats.) Feer Plant Cell Tiss Org 51: 187-193 International Workshop on Agricultural Biotechnology: 20-21 Mortensen L, Stromme E (1987) Effects of light quality on some greenhouse corps Sci Hort 33: 27-36 Okamoto K, Yanagi T, Kondo S (1997) Growth and morphogenesis of lettuce seedlings raised Mumford FE, Smith DH, Castle JE, (1961) An inhibitor of under different combinations of red and blue light indole acetic acid oxidase from pea tips Plant Physiol 36: Acta Hortic 435: 149-157 724-752 Park SY, Edward YC, Paek KY (2010) Endoreduplication Nedbal L, Tichy V, Xiong F, Grobbelaar JU (1996) in Phalaenopsis is affected by light quality from light- Microscopic green algae and cyanobacteria in high- emitting diodes during somatic embryogenesis Plant frequency intermittent light J Appl Phys 8: 325-333 Biotechnol Rep 4: 303-309 Nguyễn Bá Nam, Lê Thị Thanh, Lê Thị Thanh Trà, Vũ Pawson SM, Bader MKF (2014) LED lighting increases Quốc Luận, Nguyễn Đình Lâm, Dương Tấn Nhựt (2014) the ecological impact of light pollution irrespective of Ảnh hưởng của ánh sáng đèn LED bổ sung vào ban đêm color temperature Ecol Appl 24(7): 1561–1568 lên sự sinh trưởng và phát triển trên ba giống Cúc (Đóa vàng, Sapphire và Kim cương) được trồng trong nhà kính Pinho P, Moisio O, Tetri E, Halonen L (2004) Tạp chí Khoa học và Công nghệ 52 (3): 311-328 Photobiological aspects of crop plants grown under light emitting diodes," in Proceedings of the CIE Symposium Nguyễn Bá Nam, Nguyễn Đình Lâm, Dương Tấn Nhựt 04, LED Light Sources: Physical Measurements and (2012) Ảnh hưởng của loại mẫu cấy và hệ thống chiếu Visual and Photobiological Assessment - Tokyo, Japan, sáng đơn sắc lên khả năng tái sinh chồi cây hoa Cúc CIE 026: 71-74 (Chrysanthemum morifolium Ramat cv “Jimba”) nuôi cấy in vitro Tạp chí Khoa học và Công nghệ 50(6): 595-606 Poudel PR, Kataoka I, Mochioka R (2008) Effect of red- and blue-light-emitting diodes on growth and Nguyễn Thanh Sang, Nguyễn Bá Nam, Hoàng Thanh morphogenesis of grapes Plant Cell Tiss Org 92: 147-153 Tùng, Nguyễn Phúc Huy, Nguyễn Thị Kim Loan, Nguyễn Ngọc Thảo, Vũ Đức Trung, Nguyễn Văn An, Trần Thị Richter G, Wessel K (1985) Red light inhibits blue- Minh Loan, Nguyễn Văn Kết, Dương Tấn Nhựt (2014) induced chloroplast development in cultured plant cells at Sinh trưởng, phát triển và hàm lượng chlorophyll trong the mRNA level Plant Mol Biol 5: 175-182 chồi cây Cúc (Chrysanthemum morifolium ramat cv “jimba”) nuôi cấy in vitro dưới ánh sáng LED Tạp chí Round HJ (1907) Discovery of electroluminescence - blue Công nghệ Sinh học 12(2): 339-347 light emission from Silicon Carbide (SiC) Electron World 19: 309 Nhut DT (2002) In vitro growth and physiological aspects of some horticultural plantlets cultured under red and blue Schuerger AC, Brown CS (1994) Spectral quality may be light-emitting diodes (LEDs) Doctoral thesis Kagawa used to alter plant disease development in CELSS Adv University Japan Spa Res 14: 395-398 Nhut DT, Nam NB (2010) Light emitting diodes (LEDs): Schuerger AC, Brown CS, Stryjewski EC (1997) an artificial lighting source for biological studies In: The Anatomical features of pepper plants (Capsium annuum Third International Conference on the Development of L.) grown under red light emitting diodes supplemented Biomedical Engineering in Vietnam IFMBE Proceedings with blue or far-red light Ann Bot 79: 273-282 27: 134-139 Shin KS, Murthy HN, Heo JW, Hahn EJ, Paek KY (2008) Nhut DT, Takamura T, Watanabe H, Okamoto K, Tanaka The effect of light quality on the growth and development M (2003) Responses of strawberry plantlets cultured in of in vitro cultured Doritaenopsis plants Acta Physiol vitro under superbright red and blue light-emitting diodes Plant 30: 339-343 (LED) Plant Cell Tissue Org 73: 43-52 Soebo A, Krekling T, Appelgren M (1995) Light quality 406 effects photosynthesis and leaf anatomy of birch plantlets in vitro Plant Cell Tissue Org 41: 177-185 Tạp chí Công nghệ Sinh học 12(3): 393-407, 2014 Steigerwald DA, Bhat JC, Collins D, Fletcher RM, Holcomb Topchiy NM, Sytnik SK, Syvash OO, Zolotareva OK MO, Ludowise MJ, Martin PS, Rudaz SL (2002) Illumination (2005) The effect of additional red irradiation on the with solid state lighting technology, IEEE Journal on Selected photosynthetic apparatus of Pisum sativum Topics in Quantum Electronics 8: 310-320 Photosynthetica, 43: 451-456 Tanaka M, Takamura T, Watanabe H, Endo M, Yanagi T, Tsao JY (2004) Solid-state lighting: lamps, chips, and Okamoto K (1998) In vitro growth of Cymbidium plantlets materials for tomorrow Circuits and Devices Magazine, cultured under super bright and blue light emitting diodes IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics (LEDs) J Hortic Sci Biotechnol 73: 39-44 20: 28-37 Tennessen DJ, Bula RJ, Sharkey TD (1995) Efficiency of Wu MC, Hou CY, Jiang CM, Wang YT, Wang CY, photosynthesis in continuous and pulsed light emitting Chen HH, Chan HM (2007) A novel approach of LED diode irradiation Photo Res 44: 261-269 light radiation improves the antioxidant activity of pea seedlings Food Chem 101: 1753-1758 Tennessen DJ, Singsaas EL, Sharkey TD (1994) Light- emitting diodes as a light source for photosynthesis Heo, JW, Shin KS, Kim SK, Paek KY (2006) Light research Photo Res 39: 85-92 quality affects in vitro growth of grape ‘Teleki 5BB7’ J Plant Biol, 49, 276-280 LIGHT-EMITTING DIODES (LEDs): AN ARTIFICIAL LIGHTING SOURCE FOR PLANT TISSUE CULTURE Duong Tan Nhut∗, Nguyen Ba Nam Tay Nguyen Institute of Scientific Research, Vietnam Academy of Science and Technology SUMMARY Light is one of the most important factors in the regulation of plant growth and development Green plants, which convert light into chemical energy via the process of photosynthesis, use light as a source of information for photoperiodism (night/day length), phototropism (light direction), and photomorphogenesis (light quantity and quality) These responses depend on the photon flux density (PFD), light quality, duration and photoperiod Therefore, plant growth could be controlled by artificial light in the greenhouse and in vitro Tissue culture and growth rooms have long been using artificial lighting sources, including fluorescent lamps, high pressure sodium lamps, metal halide lamps, and incandescent lamps, etc Among these, fluorescent lamps have been the most popular in tissue culture rooms However, these lights have a wide range of wavelengths, from 350 to 750 nm Such a wide range of wavelengths appears to be unnecessary and are of low quality for promoting plant growth, and the system consumes a lot of electrical power while generating heat in a tissue culture laboratory Thus, there is a need for an efficient lighting source to improve the production efficiency, reduce costs, and improve the quality of the micropropagated plants Light emitting diodes (LEDs) have been demonstrated to be an artificial flexible lighting source which has significant effects on biological processes Using LEDs can choose suitable wavelengths with the growth and development of plants, thereby increasing the maximum yield of plants Numerous studies have been conducted in order to investigate the effects of LEDs on plants, which have led to many satisfactory results Various morphological, anatomical, and physiological attributes such as shoot elongation, axillary shoot formation, somatic embryo induction, rhizogenesis, and leaf anatomy, accumulation of secondary metabolites and photosynthetic abilities of plants grown in vitro have found to be regulated by spectral properties of LEDs The potentials of LED as an effective light source for indoor agricultural production have been explored to a great extent This paper provides a brief development history of LEDs and a broad base review on LED applications in plant tissue culture and indoor plant cultivation Keywords: Growth and development, light-emitting diodes, micropropagation, orphogenesis, photosynthesis ∗ Author for correspondence: Tel: +84-63-3831056; Fax: +84-63-3831028; E-mail: duongtannhut@gmail.com 407