Die Wiederentdeckung des weißen Lichts
Breites Spektrum vs. enges Spektrum
Die Beleuchtungstechnologien im Gartenbau haben sich im letzten Jahrhundert dramatisch verbessert, aber die Manipulation des Lichtspektrums ist ein recht neues Konzept. Da Pflanzen in der Regel rotes und blaues Licht am stärksten absorbieren, wurden andere Wellenlängen als unnötig für das Pflanzenwachstum und die Entwicklung angesehen. Mit dem Fortschritt der LED-Technologie wurde auch die Möglichkeit, individuelle Spektren zu erzeugen, verbessert, und rosa/violette Leuchten überschwemmten den Beleuchtungsmarkt im Gartenbau. Ungeachtet dieses Zustroms von Produkten untersuchte die Forschung im Bereich der Pflanzenbeleuchtung weiterhin die zahlreichen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Licht und begann schließlich, die Vorstellung zu widerlegen, dass Pflanzen für ein optimales Wachstum nur zwei individuelle Spektren benötigen. Zwar gibt es immer noch viele Unstimmigkeiten über die primäre Funktion von Licht im Bereich von 550 nm bis 600 nm sowie im fernroten und ultravioletten Wellenbereich, aber die Forschung hat viele Funktionen und sogar Vorteile der Einbeziehung dieser Spektren gezeigt. Um zu verstehen, wie Pflanzen Licht wahrnehmen, wird in diesem Artikel auf die vielen bekannten Rezeptoren und Pigmente eingegangen, mit denen Pflanzen ihre Umwelt wahrnehmen und auf sie reagieren.
Wie Pflanzen Licht nutzen
Die menschliche und die pflanzliche Lichtwahrnehmung verwenden viele der gleichen Moleküle, aber unsere Augen lassen sich leichter täuschen. Schmalbandiges rotes, blaues und grünes Licht wird, wenn es im richtigen Verhältnis gemischt ist, vom menschlichen Auge als weißes Licht wahrgenommen. Eine Pflanze ist sich jedoch der Tatsache bewusst, dass sie drei einzelne Spektren empfängt, und ihre Wachstumsgewohnheiten zeigen diese Wahrnehmung. Weißes Licht mit breitem Spektrum kann je nach Quelle in vielen Formen auftreten. Das menschliche Auge nimmt diese verschiedenen Spektren meist als kühler (blau) oder wärmer (orange/rot) wahr, je nachdem, ob es sich um eine Metallhalogenid- oder eine Natriumdampf-Hochdrucklampe handelt, oder im Fall von LEDs und Leuchtstoffröhren, welche Art von Phosphorbeschichtung verwendet wird. Bei einer Pflanze kann jedoch jede einzelne Wellenlänge eine andere Wuchsform und photomorphogene Reaktion hervorrufen.
Die eintreffenden Photonen werden von Pigmenten absorbiert, die das Licht als Energie aufnehmen, und von Photorezeptoren, die das Licht als Signal wahrnehmen. Wenn sie von dem bekanntesten Pigment, dem Chlorophyll, absorbiert werden, können die Photonen zur Photosynthese und zum Wachstum genutzt werden. Das Chlorophyll allein mit seinem breiten Absorptionsspektrum reicht jedoch nicht aus, um Licht effizient zu nutzen. Der "Antennenkomplex" ist ein Konzept, das beschreibt, wie akzessorische Pigmente wie Carotinoide dabei helfen können, Licht einzufangen, das Chlorophyll nicht absorbiert, oder überschüssiges Licht als Wärme abzuführen (nicht-photochemisches Quenching), wenn die photosynthetischen Reaktionszentren mit der eingehenden Energie überlastet sind.
Zusatzpigmente sind vor allem Carotinoide wie Beta-Carotin, Lutein, Zeaxanthin, Antheraxanthin und Violaxanthin. Diese Pigmente haben eine gelbe bis orange Farbe und absorbieren am stärksten im Bereich von 450 nm bis 550 nm. Einige dieser Pigmente verändern ihre Form in Abhängigkeit von den Lichtverhältnissen durch Prozesse, die als Epoxidierung und Des-Epoxidierung bezeichnet werden. Bei zu hoher Fluenz kann der Photosyntheseapparat geschädigt werden, so dass es für eine Pflanze wichtig ist, mit der eingehenden Energie umgehen zu können. Bei reinem Sonnenlicht, wo die Fluenz im Laufe des Tages schwanken kann, passt sich der Antennenkomplex an, um Licht aufzunehmen oder abzuleiten. Bei geringer Fluenz fängt Violaxanthin Photonen ein und überträgt diese Energie auf das Chlorophyll, wodurch die Effizienz der Lichtabsorption verbessert wird. Bei hoher Fluenz wird Violaxanthin in Zeaxanthin de-epoxidiert (umgewandelt), das dann die überschüssigen Photonen als Wärme abgibt. Beta-Carotin funktioniert ähnlich wie Violaxanthin und Lutein funktioniert wie Zeaxanthin, jedoch ohne diesen Umwandlungsprozess, der als "Xanthophyll-Zyklus" bezeichnet wird. Dieser Energiefluss zwischen den Pigmenten erfolgt spontan, wenn sie durch Photonen "angeregt" werden. Interessanterweise können Carotinoide, die Pflanzen vor Licht schützen und ihre Fähigkeit, Licht einzufangen, verbessern, auch ähnliche Funktionen in den Augen vieler Tierarten erfüllen. Es gibt mehrere andere Pflanzenpigmente, die nicht mit dem photosynthetischen Lichtsammelkomplex in Verbindung stehen, darunter Anthocyan und Lycopin. Obwohl diese Verbindungen Licht absorbieren, besteht ihre Hauptfunktion darin, Zellen und DNA vor schädlicher UV-Strahlung zu schützen und "freie Radikale" wie Wasserstoffperoxid abzufangen, um weitere Zellschäden zu verhindern.
Fotorezeptoren sind in den meisten Fällen Proteine, die mit einem "Chromophor" gepaart sind, der bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbiert und dann ein Signal an die Pflanze sendet, das die Photomorphogenese beeinflusst. Es gibt mehrere verschiedene Arten von Photorezeptoren, deren Lichtabsorptionsbereiche sich überschneiden. Kryptochrome nutzen Licht im Bereich von 300 nm bis 500 nm, wobei sie bei 350 nm (UV-A) und 450 nm (blau) am stärksten absorbieren. Wenn dieser Rezeptor durch Licht angeregt wird, verhindert er die Verlängerung der Hypokotyle (Hauptstamm der Keimlinge) und steuert bei einigen Arten sogar die Blüte und die Photoperiode. Phototropine sind ebenfalls blau/UV-A-absorbierende Photorezeptoren, jedoch mit einem viel stärkeren Absorptionspeak bei 450 nm. Es wird angenommen, dass sie den Phototropismus (Prozess, bei dem sich Pflanzen als Reaktion auf Licht bewegen), die Stomataöffnung (Öffnen und Schließen), die Bewegung der Chloroplasten (photosynthetische Organellen) innerhalb der Blattzellen und die Hemmung der Blattexpansion regulieren. Phytochrome sind einige der bekanntesten Photorezeptoren, da sie die Blüte stark beeinflussen können. Es ist wenig bekannt, dass Phytochrome eigentlich Licht im Bereich von 300 nm bis 800 nm absorbieren. Die meisten der bekannten Funktionen ergeben sich jedoch aus den Absorptionsspitzen bei 660 nm im Pr Form und 730 nm in der Pfr Form. Phytochrome ändern ständig ihre Form und erreichen ein "Photoequilibrium" (weitere Informationen finden Sie im "Leitfaden zur Photomorphogenese"), das durch das Spektralverhältnis und die PPFD in der Wachstumsumgebung reguliert wird. Abhängig vom Photoequilibrium des Phytochroms werden verschiedene Signale an Stoffwechselwege innerhalb der Pflanze gesendet, die viele Prozesse regulieren, darunter die Keimung, die Etablierung des Keimlings, die Verlängerung des Stängels, die Ausdehnung der Blätter und natürlich die Blüte und die Photoperiode. Unterschiedliche Verhältnisse von R:FR-Licht, das eine Pflanze erhält, diktieren, wie sich die Pflanze in Bezug auf Kompaktheit, Blütengröße, Blütenzahl usw. entwickelt. Es gibt noch mehrere andere neu entdeckte und noch nicht ausreichend erforschte Photorezeptoren (UV-B-Rezeptor, der mit der Anthocyanbildung korreliert), die in diesem Artikel jedoch nicht behandelt werden sollen.
Da sich die Absorptionsspektren dieser Photorezeptoren stark überschneiden, werden die meisten photomorphogenen Reaktionen mitreguliert. Einige Reaktionen können durch einen Rezeptor ein- und ausgeschaltet werden, aber die Expression dieser Reaktion kann durch einen anderen Rezeptor verstärkt werden. Die rätselhafte "zirkadiane Uhr", die so viele Funktionen in Pflanzen reguliert, ist ein Höhepunkt der Aktivität mehrerer Photorezeptoren, die einen Rhythmus von Wachstumsmustern auf der Grundlage von Photoperiode, Lichtspektrum und PPFD hervorrufen. Dieser Rhythmus der Wachstumsmuster innerhalb einer Pflanze hat einen starken Einfluss auf die photomorphogenen Ergebnisse. Genau wie bei der Photosynthese gibt es jedoch ein Wirkungsspektrum für alle photomorphogenen Reaktionen, das durch eine Mischung von Signalen aus diesen Photorezeptoren bestimmt wird und nicht unbedingt das Absorptionsspektrum widerspiegelt.
Ergänzung spezifischer Wellenlängen im Vergleich zum Breitbandspektrum
Wenn Sie den Einsatz von Schmalbandbeleuchtung in Erwägung ziehen, müssen Sie vor allem berücksichtigen, ob Ihre Pflanzen bereits mit Breitbandspektrumlicht (Solarlicht für Gewächshäuser oder eine Breitbandspektrumleuchte für Anwendungen mit alleiniger Beleuchtung) bestrahlt werden und welche Pflanzen Sie anbauen. Wenn die Pflanzen bereits mit Breitbandspektrum-Licht aus einer einzigen Beleuchtungsquelle beleuchtet werden, ist eine Ergänzung mit Schmalband-Licht nur dann sinnvoll, wenn ein gewünschter photomorphogener Effekt erzielt werden soll, den die Pflanzen ohne den Kontakt mit einem bestimmten Wellenbereich nicht erreichen können. Wenn Sie jedoch unter Sonneneinstrahlung und einem hohen DLI anbauen, kann es sein, dass Ihre Pflanzen nicht so empfindlich auf Veränderungen des Lichtspektrums reagieren, da die Sonneneinstrahlung bereits recht breit ist und die photomorphogenen Vorteile der Schmalbandbeleuchtung übertönen kann. Ein weiterer Aspekt, der beim Anbau unter Sonneneinstrahlung zu berücksichtigen ist, ist die Frage, ob Sie Ihren DLI erhöhen müssen oder nicht. Wenn Sie den DLI mit einer Schmalbandleuchte erhöhen, kann es zu Unregelmäßigkeiten in der Produktqualität kommen, da die Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres zu- und abnimmt und Ihre Pflanzen unterschiedlichen Mengen an Sonnenlicht und Schmalbandlicht ausgesetzt sind. Wenn Ihr DLI konstant ist und Sie nur eine photomorphogene Reaktion wie Färbung, Kompaktheit oder Bewurzelung hervorrufen wollen, kann es sinnvoll sein, mehr blaues Licht zu verwenden. Allerdings hat der DLI oft einen größeren Einfluss auf die gewünschten Eigenschaften als das Spektrum. Wenn Sie eine blühende/fruchttragende Pflanze anbauen und nur das Wachstum von Blüten/Früchten fördern möchten (mit einem ausreichenden DLI und einer ausreichenden Photoperiode), kann es von Vorteil sein, mehr rotes Licht zu verwenden, da Licht mit 660 nm bei vielen Arten Phytochrom-Reaktionen auslöst, die Signale an die gesamte Pflanze senden, um das reproduktive Wachstum zu fördern.
Schlussfolgerung
Schmalbandige Beleuchtung kann bei vielen Arten ein akzeptables Wachstum ermöglichen. Pflanzen verwenden jedoch mehrere verschiedene Photorezeptoren und Pigmente, die Wachstum und Entwicklung gemeinsam regulieren. Pflanzen haben diese photomorphogenen Reaktionen unter Breitspektrumlicht entwickelt, und es ist sehr selten, dass eine bestimmte Art eine Reaktion auf Schmalbandlicht zeigt, die bei ausreichendem DLI nicht auch durch Breitspektrumlicht erreicht werden kann. Für eine gleichbleibende Produktqualität und die Möglichkeit, eine breite Palette von Pflanzenarten ohne beleuchtungsbedingte Komplikationen zu produzieren, sind Breitspektrumleuchten die sicherere Wahl. Verschiedene Arten können unterschiedlich auf Veränderungen im Lichtspektrum reagieren. Es werden ständig Forschungsarbeiten durchgeführt, die uns helfen zu verstehen, wie einzelne Pflanzen auf verschiedene Lichtspektren reagieren, und in einigen Fällen gibt es eindeutige Hinweise darauf, welche Art von Beleuchtung für eine Pflanze am besten ist. Wenn Sie sich nicht sicher sind, wie Ihre Pflanzen darauf reagieren, hat sich die Ergänzung mit Breitspektrum-Licht bewährt, um die Qualität, die Konsistenz und den Ertrag der Pflanzen zu verbessern.
