Leitfaden zur Photomorphogenese

Wir wissen seit vielen Jahren, dass das Licht über die Photosynthese für das Pflanzenwachstum verantwortlich ist; Der Einfluss des Lichts auf die Pflanzenentwicklung ist jedoch erst im letzten Jahrhundert gut verstanden worden. Die Farbe des Lichts (spektrale Lichtqualität) ist nicht nur eine wichtige Variable für die Photosynthese, sondern dient auch als Informationspaket, um lichtvermittelte Entwicklungsreaktionen in Pflanzen zu signalisieren, wie z. B. die Keimung von Samen, die Streckung von Stängeln und die Blüte. Der Begriff, mit dem diese Reaktionen bei Pflanzen beschrieben werden, ist Photomorphogenese (Photo = Licht und Morphogenese = der Prozess, der einen Organismus dazu bringt, seine Form zu entwickeln). Die Pflanzenmorphologie (Pflanzenarchitektur) ist in der Landwirtschaft mit kontrollierter Umgebung, in der der vertikale oder horizontale Platz für den Anbau begrenzt sein kann, äußerst wichtig. Je nach der von Ihnen gewünschten Pflanzenarchitektur sind bei Beleuchtungssystemen für den Gartenbau neben der Bereitstellung einer photosynthetischen Lichtquelle noch andere Aspekte zu berücksichtigen. Photosynthetisch aktive Strahlung (400 - 700 nm) wird hauptsächlich für die Photosynthese verwendetPflanzen können jedoch Wellenlängen von UV-C (260 nm) bis zum fernen Rot (730 nm) mit separaten Photorezeptoren wahrnehmen, die nicht für die Photosynthese genutzt werden. Diese Photorezeptoren steuern eine adaptive Reaktion der Pflanzen auf sich ändernde Umweltbedingungen, um wichtige Phasen der Pflanzenentwicklung zu regulieren, die stark vom Lichtspektrum und in einigen Fällen auch vom Zeitpunkt, der Periodizität und der Gesamtexposition abhängen. Letztere wird gewöhnlich als Fluenz bezeichnet und in Mikromol Photonen pro Quadratmeter Oberfläche gemessen. Es gibt sehr niedrige, niedrige und hohe Fluenzwerte, wobei die entsprechenden ausreichenden Lichtmengen von Sternenlicht (für sehr niedrige Werte) bis zu direktem Sonnenlicht (für hohe Werte) reichen. In diesem Artikel sollen die photomorphogenen Reaktionen von Pflanzen beschrieben werden, um Sie bei Ihren Überlegungen zu unterstützen.

Reaktionen auf rotes und fernrotes Licht

Was die Photomorphogenese betrifft, so sind die am besten verstandenen Entwicklungsprozesse diejenigen, die durch rotes und fernrotes Licht gesteuert werden (für die Zwecke dieser Erörterung bezeichnen wir als rotes (R) Licht den Spektralbereich um 660 nm und als fernrotes (FR) Licht um 730 nm). Um den Einfluss dieser beiden Spektralbereiche auf die Pflanzenentwicklung besser verstehen zu können, muss man zunächst die Bedeutung des als Phytochrom bekannten Pigments verstehen, das für die durch R- und FR-Licht vermittelten Reaktionen verantwortlich ist. Phytochrom ist ein Pigmentprotein, das in zwei umwandelbaren Formen existiert - eine rotlichtabsorbierende Form (Pr) und eine fernrotabsorbierende Form (Pfr). Phytochrom wandelt sich bei der Absorption des entsprechenden Lichts von einer Form in die andere um, bis ein Gleichgewicht hergestellt ist (Phytochrom-Photoequilibrium), wobei die relative Menge jeder Form in erster Linie vom Verhältnis von R- zu FR-Licht im Lichtspektrum abhängt. Anders ausgedrückt: Wenn Pr R-Licht absorbiert, wird es in Pfr umgewandelt, und wenn Pfr FR-Licht absorbiert, wird es in Pr umgewandelt (die Spektren beider Formen überschneiden sich teilweise, und Phytochrom absorbiert auch etwas blaues Licht, aber darauf wird in diesem Leitfaden nicht eingegangen). Das Vorhandensein der einen oder anderen Form (abhängig vom R/FR-Spektralverhältnis) kann eine Reihe von Entwicklungsprozessen stimulieren oder hemmen, wie z. B. die Keimung von Samen, das Entrollen von Blättern, die Chlorophyllbildung und die Streckung von Stängeln. Darüber hinaus ist Phytochrom der Kontrollfaktor für die Förderung (oder Unterdrückung) der Blüte bei photoperiodischen Pflanzenarten. Der Kürze halber und um wichtige Anwendungen im Zusammenhang mit Beleuchtungssystemen im Gartenbau zu erörtern, konzentrieren wir uns auf den Einfluss von Phytochrom auf die Blüte und die Stammverlängerung.

Photoperiodismus

Es gibt Langtagspflanzen (die zum Blühen kurze Nächte benötigen)Kurztagspflanzen (die lange Nächte benötigen) und tagneutrale Pflanzen, die keine spezifischen Anforderungen an die Photoperiode stellen. Diese Abhängigkeit von der Photoperiode wird als Photoperiodismus bezeichnet, aber eigentlich ist es die Länge der Dunkelperiode (Skotoperiode), die die Blüte der photoperiodischen Pflanzenarten steuert. In Abwesenheit von Licht wandelt sich Pfr langsam in Pr um, und mit zunehmender Skotoperiode nimmt auch die relative Menge an Pr zu. Langtagpflanzen (mit kurzer Skotoperiode) blühen nicht, wenn Pfr während der Skotoperiode in Pr umgewandelt wird, während Kurztagpflanzen (mit langer Skotoperiode) nur blühen, wenn Pfr während der Skotoperiode in Pr umgewandelt wird. Photoperiodische Phytochromreaktionen treten im niedrigen Fluenzbereich auf (bis zu 1 µmol/m2), so dass nur ein kurzer R-Lichtblitz während einer Skotoperiode ausreicht, um Pr wieder in Pfr umzuwandeln. So kann beispielsweise die Blüte einer Langtagspflanze durch Unterbrechung der Nacht mit einer Reihe kurzer roter Lichtblitze mit Photonenflüssen von nur wenigen µmol/m2/s ausgelöst werden. Umgekehrt können Kurztagspflanzen durch einen einzigen Blitz mit reinem FR-Licht gleich zu Beginn der dunklen Photoperiode zur Blüte gebracht werden, nachdem alle anderen Lampen ausgeschaltet wurden. Auf diese Weise wird die Dunkelperiode zum Zweck der Blüte um einige Stunden verlängert, was dazu genutzt werden kann, die Lichtperiode für das Wachstum zu verlängern und so die Pflanzenerträge zu optimieren. Eine Umstellung der oben genannten Methoden für Pflanzen mit entgegengesetzten Anforderungen an die Photoperiode würde die Blüte verzögern, was manchmal auch erwünscht sein kann (z. B. um pünktlich zu bestimmten Feiertagen die beste Qualität der Blüten zu erhalten). Eine gute energiesparende (und damit kostensparende) Strategie besteht darin, eine Reihe von Lampen für das Wachstum und eine andere für die Photoperiodensteuerung zu verwenden, wenn dies erforderlich ist. Da die Phytochromreaktion im niedrigen Fluenzbereich liegt, kann die Anzahl der für die Photoperiodensteuerung benötigten Leuchten viel geringer sein als die Anzahl der für das Wachstum benötigten Leuchten. Außerdem kann die Betriebszeit für die Photoperiodensteuerung viel kürzer sein, z. B. jeweils nur wenige Minuten. Da FR-Licht nur teilweise photosynthetisch aktiv ist, ist seine Verwendung in der Gartenbau-Beleuchtung aus Gründen der Energieeffizienz oft begrenzt.

Reaktion auf Schattenvermeidung

Eine weitere wichtige photomorphogene Reaktion von R und FR, die für Beleuchtungssysteme im Gartenbau wichtig ist wird als Schattenvermeidungsreaktion bezeichnet. Fernrotes Licht wird durch das Blattgewebe stärker durchgelassen als rotes Licht, was zu einer Anreicherung von fernrotem Licht im Vergleich zu rotem Licht bei Pflanzen führt, die unter einem Baldachin wachsen. Wenn ein niedriges R:FR-Verhältnis durch Phytochrompigmente wahrgenommen wird, wird eine Schattenvermeidungsreaktion aktiviert, um Hypokotyle oder Stängel zu verlängern und so zu versuchen, benachbarte Pflanzen zu überflügeln. Dies ist sehr wichtig, wenn es um die spektrale Lichtqualität von Beleuchtungssystemen für den Gartenbau geht. Photoperiodische Beleuchtungen, die ein niedriges R:FR-Verhältnis bieten, um das Fließen zu fördern, können ebenfalls eine Schattenvermeidungsreaktion bei den Pflanzen hervorrufen, was zu einer unerwünschten Wuchsform führen kann (insbesondere wenn eine kompakte Wuchsform bevorzugt wird).

Reaktion auf blaues und grünes Licht

Reaktion auf blaues Licht

Zwei wichtige Photorezeptoren für blaues Licht sind Kryptochrome und Phototropine. Blaues Licht ist für eine Reihe von Pflanzenreaktionen wichtig, z. B. für die Unterdrückung der Stängelstreckung, den Phototropismus (Abbiegen in Richtung einer Lichtquelle), die Bewegung der Chloroplasten innerhalb der Zellen, die Öffnung der Stomata und die Aktivierung der Genexpression (einige davon sind morphogenetisch, andere nicht). Die stomatäre Öffnung und die Höhenkontrolle sind für Beleuchtungssysteme im Gartenbau von besonderer Bedeutung. Ein niedriger Gesamtgehalt an blauem Licht im Wachstumsspektrum (z. B. weniger als 10 % des gesamten Photonenflusses) kann bei mehreren Pflanzenarten zu Blattödemen (Anschwellen der Blätter) und Entwicklungsproblemen führen. Der absolute Gehalt an blauem Licht hat eine zunehmend stärkere Wirkung auf die Verringerung der Pflanzenhöhe. Dies kann in einigen Fällen wünschenswert sein (z. B. um kompaktere Setzlinge zu erzeugen und die Transportkosten zu senken), führt aber im Allgemeinen zu einer geringeren photosynthetischen Effizienz des Lichts in Bezug auf den Energieverbrauch. Ein hoher relativer Anteil an blauem Licht verringert die Blattfläche der Pflanze und kann aus diesem Grund unerwünscht sein. Nahes UV-Licht hat eine ähnliche Wirkung wie blaues Licht, mit einer weiteren Verringerung der photosynthetischen Effizienz, insbesondere unterhalb von 400 nm (obwohl die anderen Wirkungen im Vergleich stärker sein können). Es wirkt sich auch auf die Biosynthese von Verbindungen aus, die für den Geschmack bestimmter Früchte verantwortlich sind, und erhöht die Anthocyan-Konzentration sowie die anderer Verbindungen, die nicht direkt durch Photosynthese allein erzeugt werden. Wenn der Einsatz von UV-nahem Licht erforderlich ist, um einen entsprechenden sensorischen Mechanismus oder die Produktion eines bestimmten Moleküls von Interesse durch die Pflanze zu steuern, muss möglicherweise ein Kompromiss in Bezug auf die Gesamteffizienz eingegangen werden, ähnlich wie bei der Verwendung von fernem roten Licht.

Grünes Licht Antwort

Das am wenigsten erforschte Spektrum im Zusammenhang mit photmorphogenen Reaktionen bei Pflanzen ist grünes Licht (500 - 600 nm). Die Kontrollwirkungen von grünem Licht sind im Allgemeinen denen von rotem und blauem Licht entgegengesetzt. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass grünes Licht die durch blaues Licht induzierte Verringerung der Pflanzenhöhe und der Anthocyananreicherung umkehrt. Die bereits erwähnten Phytochrom- und Cryptochrom-Photorezeptoren reagieren ebenfalls auf grünes Licht, wenn auch in einem deutlich geringeren Ausmaß als auf rotes oder blaues Licht. Bisher haben alle Bemühungen der Forscher, Photorezeptoren zu finden, die vor allem auf grünes Licht reagieren, zu keinen endgültigen Ergebnissen geführt. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass die Hinzufügung von grünem Licht in das Spektrum von Beleuchtungssystemen für den Gartenbau sich als vorteilhaft für das Wachstum mehrerer Pflanzenarten erwiesen hat. Ähnlich wie weit entferntes rotes Licht dringt grünes Licht tiefer in Blätter und Baumkronen ein als rotes oder blaues Licht und kann die Photosyntheserate erheblich steigern. Durch die Zugabe von grünem Licht wird auch der Farbwiedergabeindex (CRI) eines Beleuchtungssystems für den Gartenbau erheblich verbessert, was es den Landwirten ermöglicht, die Pflanzen ohne Spezialbrillen wirksam auf Krankheits- oder Nährstoffmangel- bzw. Vergiftungssymptome zu überwachen.

Schlussfolgerung

Bei den Beleuchtungssystemen für den Gartenbau gibt es eine Reihe von Möglichkeiten - insbesondere bei der Verwendung von LED-Leuchtendie von einer schmalbandigen spektralen Zusammensetzung (z. B. rosa oder violett) bis zu einem breiten Spektrum (oft als weiß bezeichnet) reichen können. Je nach Kultur ist die Auswahl eines LED-Beleuchtungssystems für den Gartenbau mit der geeigneten Lichtqualität entscheidend, nicht nur um die Photosynthese anzuregen, sondern auch um die gewünschten morphologischen Reaktionen zu erzielen. Fluence PhysioSpec Broad R4 und Greenhouse wurden so angepasst, dass sie die besten photosynthetischen und photomorphogenen Reaktionen für eine Vielzahl von Pflanzenarten liefern. Fluence bietet auch kundenspezifische Lichtspektren zur Auslösung photomorphogener Reaktionen.