Einfluss von Lichtintensität und -qualität
Das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen, z. B. die Bildung von Blättern, Stängeln, Wurzeln und Blütenorganen, ist das Ergebnis primärer Stoffwechselprozesse. Nebenprodukte der Photosynthese werden durch die ganze Pflanze transportiert und in den sich entwickelnden Geweben verwertet. Es gibt jedoch noch eine Reihe anderer Prozesse in Pflanzen, wie z. B. die Färbung, die Abwehr von Fressfeinden und Infektionen, die Förderung der Bestäubung und symbiotischer Beziehungen sowie die Verteidigung gegen Umweltbedingungen wie Licht und Temperatur. Diese Prozesse bezeichnen wir als Sekundärstoffwechsel. Wenn diese Prozesse ins Spiel kommen, werden Ressourcen vom primären Stoffwechsel (Wachstum) abgezogen und zur Erzeugung verschiedener Eigenschaften verwendet, die für die Qualität der Pflanzen aus Sicht des menschlichen Verbrauchs entscheidend sind.
Wenn wir Pflanzen als Nahrungsmittel oder Medizin konsumieren, können viele dieser Verbindungen starke Auswirkungen auf grundlegende Körperfunktionen haben, die Symptome chronischer Krankheiten lindern, Krebs vorbeugen und allgemeine psychologische Probleme wie Angst und Stress lindern. In kontrollierten Umgebungen können wir diese natürlichen Abwehrmechanismen der Pflanzen beeinflussen, indem wir die Lichtintensität und die Lichtqualität manipulieren. Es ist wichtig zu bedenken, dass es einen Kompromiss zwischen der Förderung des Pflanzenwachstums (Primärstoffwechsel) und der Förderung der Produktion von Sekundärmetaboliten gibt, die die Qualität Ihrer Ernte verbessern können. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Sekundärmetaboliten (Flavonoide, Terpene, Cannabinoide und andere), die Pflanzen als Reaktion auf Umweltreize produzieren, wie sie die Qualität der Ernte beeinflussen und was Sie tun können, um diese Mechanismen zu nutzen.
Flavonoide
In Pflanzen dienen Flavonoide in erster Linie als Lockstoffe für Insekten (sie färben Pollen), als Signale für den Aufbau von Beziehungen zu Bodenmikroben, als Antioxidantien (sie fangen und eliminieren Verbindungen, die Photobleiche und Wachstumshemmung verursachen können) und als Lichtschutzmittel (sie zerstreuen schädliche Wellenlängen zum Schutz der Zellen). Anthocyane sind eine Klasse von Flavonoiden, die sich durch eine rote bis violette Färbung des Blattgewebes bemerkbar machen. Rotblättrige Salate und Kräuter enthalten oft große Mengen dieser Flavonoide, die im Wesentlichen als Sonnenschutzmittel für Pflanzen dienen. Wenn die Blattoberfläche blauen (400-500nm) oder ultravioletten (300-400nm) Wellenlängen in ausreichender Intensität (je nach Art unterschiedlich) ausgesetzt wird, wird der Sekundärstoffwechsel der Pflanze aus verschiedenen Gründen ausgelöst. Blaues und ultraviolettes (UV) Licht haben sehr hohe Frequenzen, was bedeutet, dass sie eine enorme Energiemenge enthalten, die verschiedene Zellfunktionen in der Pflanze schädigen kann. Um diese Gewebe sowohl vor der einfallenden Energie zu schützen als auch die in der Zelle entstandenen "freien Radikale" zu beseitigen, produzieren die Pflanzen Anthocyane.
Die Anhäufung von Anthocyanen als Reaktion auf blaues oder UV-Licht nimmt mit zunehmender Lichtintensität zu. Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Lichtschutz durch Anthocyane und der Lichtabsorption durch Terpenoide (Chlorophyll und Carotinoide) ein. Es ist wichtig zu betonen, dass es sich hierbei um einen sekundären Prozess der Pflanze handelt, durch den Energie vom Wachstum abgezogen wird. Wenn die Intensität hoch genug ist, kann eine sichtbare Veränderung der Pflanzenfärbung beobachtet werden. Grünes Licht (500-550 nm) kann viele Funktionen in Pflanzen umkehren, die sonst durch blaues Licht stimuliert werden. Zu viel grünes Licht im Verhältnis zu blauem kann diese Reaktion vollständig umkehren. Ein rotblättriger Salat, der unter einem hohen Anteil an grünem Licht angebaut wird, färbt sich möglicherweise überhaupt nicht rot. Diejenigen, die unter HPS-Lampen wachsen (die einen sehr geringen Anteil an blauem Licht im Verhältnis zu grünem Licht haben, insbesondere im Vergleich zu LED-Breitbandleuchten), haben möglicherweise Schwierigkeiten, die Anthocyanproduktion in Salatpflanzen anzuregen. Der Einsatz einer Leuchte, die zusätzliches blaues Licht liefert, wird die Färbung der Pflanzen wahrscheinlich nicht anregen, es sei denn, der Blauanteil ist deutlich höher als der Grünanteil der HPS-Lampen. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, die Beleuchtung der Pflanzen kurz vor der Ernte zu ändern, nachdem das gewünschte Wachstum stattgefunden hat. Dies wird als "End-of-Production"-Lichtbehandlung oder EOP bezeichnet.
Kürzlich durchgeführte EOP-Arbeiten von Dr. Garrett Owen und Dr. Roberto Lopez zeigten eine Zunahme der Färbung (von grün zu rot/dunkelrot) von vier Salatsorten, wenn sie 5 bis 7 Tage vor der Ernte mit 100 µmol/m2/s durch zusätzliche LED-Beleuchtung (rot, blau und im Verhältnis 1:1) versorgt wurden. Ihre Untersuchungen zeigten auch, dass eine schrittweise Erhöhung der zusätzlichen Lichtintensität von 0 bis 100 µmol/m2/s zu einer zunehmenden Pigmentierung führte. Diese Sorten wurden auch unter HPS-Scheinwerfern angebaut (mit einer zusätzlichen Lichtintensität von 70 µmol/m2/s), jedoch war diese EOP-Behandlung von unzureichender Lichtqualität, um den gewünschten Grad der Färbung der Pflanzen für den Markt zu erreichen. Die Botschaft für die Durchführung von EOP-Behandlungen zur Verbesserung der Pflanzenqualität ist, dass die Pflanzenfärbung besser auf blaues Licht anspricht, solange es in ausreichender Intensität zur Verfügung gestellt wird. Um eine Wachstumshemmung zu vermeiden, ist diese Art von zusätzlicher Beleuchtung als EOP-Behandlung effizienter.
Terpene
Im Gegensatz zu Flavonoiden, die meist als bitter empfunden werden, haben Terpene einen ausgeprägten Geruch und Geschmack. Es handelt sich um sehr flüssige Öle, die Blumen, Kräutern und Heilpflanzen wunderbare Eigenschaften verleihen und die Produktqualität erheblich steigern, wenn sie in ausreichenden Mengen produziert werden. So ist beispielsweise Limonen das wichtigste Terpen im ätherischen Öl von Zitronen und Myrcen bei Mangos. Die gleichen Terpene können auch in anderen Arten wie verschiedenen Kräutern und sogar Cannabis produziert werden. Die größte Konzentration findet sich in der Regel in den nicht drüsigen Trichomen (z. B. Blatthaare auf Tomaten- oder Cannabisblättern) und in den drüsigen Trichomen (z. B. die knolligen Köpfe auf Zuckerblättern und die Kelche von Cannabis). Die Auswirkungen verschiedener Wellenlängen auf die Terpenbiosynthese sind nur begrenzt erforscht, aber mehrere Pflanzenphysiologen glauben, dass bestimmte Wellenlängen für die Aktivierung der notwendigen Stoffwechselkomponenten erforderlich sind. Außerdem veranlasst eine höhere Lichtintensität bestimmte Pflanzen dazu, mehr Drüsentrichome zu bilden. Es gibt einige Hinweise darauf, dass diese zusätzlichen Trichome als Ort für die Sekretion von Flavonoiden zur Verteidigung gebildet werden (wie bereits erwähnt, schützen diese Verbindungen vor übermäßiger Lichtintensität und UV-Licht). Die vermehrte Synthese von Drüsentrichomen schafft neue Stellen für die Terpenbiosynthese und -speicherung, was die Gesamtkonzentration von Terpenen in verschiedenen Pflanzenarten beeinflussen kann. Insgesamt ist die Terpensynthese ein wichtiges Thema für Forscher, die die Auswirkungen von Lichtintensität und Lichtqualität untersuchen.
Cannabinoide
Cannabinoide sind eine einzigartige Klasse von Verbindungen, die nur in Cannabis vorkommen. Diese klebrigen harzigen Öle werden während der Blütezeit in den Trichomen produziert und sollen die sich entwickelnden Blüten sowohl vor Insekten (Klebefalle) als auch vor überschüssiger Wärme unter wechselnden Sonnenbedingungen schützen. Es gibt über hundert verschiedene Cannabinoide, darunter Δ9-Tetrahyrdocannabinol (THC), Cannabidiol (CBD), Cannabigerol (CBG), Cannabinol (CBN) und viele andere. CBG-A (die carboxylierte saure Form von CBG) ist das Vorläufersubstrat für die Produktion von THC und CBD. Es erzeugt nicht den für Marihuana typischen "Rausch", aber bestimmte Forscher untersuchen spezifische medizinische Wirkungen, wie die Linderung von Symptomen bei Neuropathie, degenerativen Hirnstörungen, Glaukom, bestimmten Krebsarten und Angstzuständen. Die meisten Cannabissorten wurden so gezüchtet, dass sie hohe Mengen an THC und/oder CBD enthalten, während die Konzentrationen der meisten anderen Cannabinoide, die viele medizinische Eigenschaften haben, gering sind. Aufgrund des derzeitigen legalen Status von Cannabis bei den meisten Bundesregierungen gibt es nur sehr wenig wissenschaftliche Forschung, die die Auswirkungen der verschiedenen Wellenlängen und Intensitäten auf die Produktion von Cannabinoiden untersucht. Die Arbeiten, die durchgeführt wurden, betrafen Züchtungen von minderer Qualität im Vergleich zu den heute auf dem Markt befindlichen Sorten. Es gibt jedoch immer mehr von Fachleuten begutachtete Forschungsarbeiten zu Cannabis, und in dem Maße, wie sich die Gesetze ändern, werden auch qualitativ hochwertige Forschungsarbeiten in diesem Bereich veröffentlicht.
Wir wissen, dass UV-Licht und möglicherweise sogar kurzwelliges (~400-420nm) blaues Licht die Produktion von Cannabinoiden anregen können, obwohl die Produktion dieser sekundären Metaboliten unabhängig davon stattfindet und dieser Effekt nur eine "Verstärkung" der Produktion darstellt, anstatt eine Voraussetzung zu sein. Wir können nicht viel darüber sagen, welche Wellenlängen des Lichts zu einem erhöhten Gehalt an bestimmten Cannabinoiden führen, aber wir untersuchen kontinuierlich die Auswirkungen verschiedener Wellenlängen auf Sekundärmetaboliten.
Photo-Akklimatisierung
Solange Kohlendioxid, Wasser und Nährstoffe das Wachstum der Pflanze nicht einschränken und es sich um eine schnell wachsende Art handelt, führen höhere Lichtintensitäten zu einem schnelleren Wachstum und einer erhöhten Produktion von Sekundärmetaboliten. Eine zu hohe Lichtintensität kann jedoch für die Zellen schädlich sein, insbesondere bei empfindlichen Arten, da freie Radikale wie Wasserstoffperoxid in den Zellen entstehen. Oberflächlich betrachtet kann sich dieser Effekt als Photobleiche (bräunliche bis weiße Flecken auf den Blättern) bemerkbar machen, wenn die Pflanze nicht an diese Lichtintensität akklimatisiert ist. Viele Züchter bemerken dieses Problem, wenn sie Pflanzen von einer Sämlingsvermehrungs- oder Bewurzelungsphase, in der die Lichtintensität gering ist, in eine hochproduktive Phase mit hoher Lichtintensität überführen. Als Teil des Photoakklimatisierungsprozesses werden hochproduktive oder schnell wachsende Arten wahrscheinlich mehr Chlorophyll anreichern, um mehr Licht zu nutzen. Ist die Lichtintensität zu hoch, wird die Produktion verschiedener Carotinoide (weitere Informationen finden Sie unter [...Pigmente & Photorezeptoren]) erhöht, um die photosynthetischen Reaktionszentren zu schützen und einen Teil des Lichts abzufangen.
Aus diesem Grund kann eine Erhöhung der Lichtintensität einen abnehmenden Nutzen haben, da als Reaktion auf eine höhere Lichtintensität mehr Licht abgeleitet wird. Um Ihre Pflanzen produktiv zu akklimatisieren, ohne dass sie ausbleichen (was das Wachstum hemmt), ist es am besten, die Lichtintensität schrittweise zu erhöhen oder für ein oder zwei Wochen ein Schattentuch zu verwenden. Eine langsame Gewöhnung der Pflanzen an höhere Lichtintensitäten lässt sich mit dimmbaren Lampen erreichen, nachdem Sie den gewünschten PPFD-Wert (abhängig von der Eignung der Lampen und der Pflanzenart) ermittelt und die Intensität im Laufe der Zeit schrittweise erhöht haben (beginnend leicht über der Vermehrungsintensität). Eine weniger ausgefeilte Methode, um dasselbe Ergebnis zu erzielen (wenn Ihre Leuchten nicht dimmbar sind), würde erfordern, dass Sie mit einem viel größeren Abstand zwischen Pflanze und Lampe beginnen als gewünscht und dann die Lampe über die gleiche Dauer langsam näher an die Pflanzen heranführen (oder umgekehrt).
Wie bereits erwähnt, können sich Anthocyane in den Blättern vieler Arten als Reaktion auf blaues oder UV-Licht von ausreichender Intensität anreichern. Ein ähnlicher Mechanismus schützt die Früchte einiger Kulturpflanzen wie Tomaten und Paprika. Wenn Sie grüne Paprika anbauen, werden Sie vielleicht feststellen, dass einige Fruchtoberflächen, die mehr Licht ausgesetzt sind, gelbe bis orangefarbene Flecken aufweisen. Diese Anhäufung von photoprotektiven Carotinoiden verhindert Schäden an der Frucht. Lycopin, ein orangefarbenes bis rotes Carotinoid, spielt eine ähnliche Rolle in Tomatenfrüchten. Wie bei den meisten anderen lichtinduzierten Sekundärmetaboliten steigt die Produktion dieser Carotinoide mit zunehmender Lichtintensität an.
Schlussfolgerung
Es ist bekannt, dass der Anteil der Wellenlängen, der den Pflanzen zugeführt wird, sowie die Intensität die photomorphogenen Ergebnisse sowie die Konzentrationen von Phytochemikalien (Sekundärmetaboliten) vollständig verändern. Mit zunehmender Lichtintensität wird die Produktion verschiedener Sekundärmetaboliten in den Pflanzen als eine Form des Schutzes induziert. Blaues und UV-Licht haben im Vergleich zu anderen Wellenlängen den stärksten Einfluss auf den Sekundärstoffwechsel, der mit der Intensität zunimmt. Vom Standpunkt der Produktion aus gesehen, verbessern diese Metaboliten häufig die Produktqualität, sowohl aufgrund ihrer medizinischen Vorteile für den Menschen als auch aufgrund ihrer färbenden Wirkung auf die Pflanzen. Dies hängt von der Genetik ab, die bei den einzelnen Arten sehr unterschiedlich ist. Einige Arten sind toleranter gegenüber dieser Reaktion und benötigen höhere Lichtintensitäten, um eine Reaktion zu zeigen, während dies bei anderen nicht der Fall ist. Eine bewährte Methode, um "das Beste aus beiden Welten" zu erhalten, ist eine EOP-Behandlung, bei der die Pflanzen unter optimalen Bedingungen für den Primärstoffwechsel (Breitspektrum) wachsen und sich entwickeln und dann vor der Ernte, nachdem das Hauptwachstum stattgefunden hat, einer den Sekundärstoffwechsel fördernden Lichtbehandlung (höhere Intensität oder spezifische Wellenlängen) unterzogen werden. Der wichtigste Aspekt, den man sich merken sollte, ist, dass der Sekundärstoffwechsel Ressourcen vom Pflanzenwachstum abzieht. Bei der Auswahl oder Änderung Ihres Beleuchtungssystems sollten Sie diese angeborenen Reaktionen der Pflanzen berücksichtigen, um sicherzustellen, dass Ihr System für die gewünschte Art und den Markt optimal ist.
