Licht ist die wichtigste Umweltvariable für das Pflanzenwachstum. Pflanzen sind autotrophe Organismen, die die Fähigkeit entwickelt haben, die Lichtenergie der Sonne zu nutzen, um durch den Prozess der Photosynthese eine Nahrungsquelle zu schaffen. Der Prozess ist recht komplex, und für diesen Leitfaden können wir diese vereinfachte Definition der Photosynthese verwenden: Nutzung von Lichtenergie zur Spaltung von Wasser (H2O) und Bindung von Kohlendioxid (CO2) zur Bildung von Kohlenhydraten (CH2O) und Sauerstoff (O2)(Abbildung 1). In diesem Leitfaden geht es nicht um die biochemischen Lichtreaktionen der Photosynthese, sondern um die verschiedenen Eigenschaften des Lichts und ihren Einfluss auf die Photosynthese. Qualität (Spektrum), Quantität (Intensität) und Dauer (Photoperiode) sind unterschiedliche, aber miteinander verbundene Lichteigenschaften, die die Photosynthese beeinflussen. Die Wissenschaft, die hinter jeder Eigenschaft steht, wird definiert, dann wird die Anwendung der Eigenschaften in Bezug auf Beleuchtungssysteme im Gartenbau diskutiert.
Spektrale Lichtqualität
Die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) ist der Hauptmotor der Photosynthese in Pflanzen. Allerdings sind nicht alle Wellenlängen des Lichts gleich effizient bei der Förderung der Photosynthese. Zwei Pflanzenwissenschaftler namens Dr. McCree und Dr. Inada führten in den 1970er Jahren mehrere Studien durch, um den Einfluss der Lichtspektren auf die Photosynthese zu bestimmen. Diese Forschung führte zur Erstellung einer photosynthetischen Reaktionskurve, die heute als McCree-Kurve bekannt ist. Auf der McCree-Kurve(Abbildung 2) ist zu erkennen, dass rotes Licht (600-700 nm) die Photosynthese fast doppelt so stark anregt wie blaues Licht (400-500 nm), während grünes Licht (500-600 nm) dazwischen liegt. Vor dieser Forschungsarbeit war es ein weit verbreiteter Irrtum, dass grünes Licht von Pflanzen nicht für die Photosynthese genutzt wird, da Chlorophyll hauptsächlich Licht im roten und blauen Bereich des sichtbaren Lichtspektrums absorbiert (was zu der grünen Farbe der Pflanzenblätter führt). Präzise und unabhängige Messungen der photosynthetischen Aktivität bei verschiedenen Wellenlängen durch McCree und Inada haben jedoch gezeigt, dass Licht im grünen Bereich (500 - 600 nm) für eine beträchtliche Anzahl von Pflanzenarten fast ebenso wirksam ist wie blaues Licht. Die kurze Erklärung für diese experimentelle Tatsache ist, dass höhere Pflanzen sowohl biochemische als auch biophysikalische Lösungen (z. B. akzessorische Pigmente) zur Nutzung von grünem Licht entwickelt haben. Diese akzessorischen Pigmente (hauptsächlich Carotinoide) kann man sich als Speichermoleküle für Photonen vorstellen, die nicht direkt vom Chlorophyll absorbiert werden.
Die spektrale Lichtqualität ist ein Schlüsselelement bei der Planung von Beleuchtungssystemen für den Gartenbau, insbesondere bei Beleuchtungsanwendungen, die nur mit einer Lichtquelle (ohne Sonnenlicht) arbeiten. Herkömmliche HID-Beleuchtungssysteme (Natriumdampf-Hochdrucklampen und Halogen-Metalldampflampen) waren bei der Veränderung der spektralen Lichtqualität stets eingeschränkt. Die Verwendung von Leuchtdioden (LEDs) für Beleuchtungssysteme im Gartenbau bietet den Herstellern die Möglichkeit, maßgeschneiderte spektrale Lichtqualitäten zu erzeugen, sowie viele weitere Vorteile gegenüber herkömmlichen Beleuchtungssystemen, wie z. B. hohe fotoelektrische Umwandlungswirkungsgrade, geringe Wärmeentwicklung und einstellbare Lichtintensitäten. Die Lichtqualität beeinflusst nicht nur die Photosynthese, sondern auch die Morphologie der Pflanzen, die als Photomorphogenese bekannt ist.
Lichtintensität
Die Anzahl der Photonen, die von spezialisierten Photorezeptoren, den Chloroplasten, absorbiert werden, beeinflusst direkt die Photosyntheserate. Mit zunehmender Lichtintensität (PPFD) steigt auch die Photosyntheserate, bis ein Sättigungspunkt erreicht ist. Jede Pflanzenart hat einen anderen Lichtsättigungspunkt, an dem die Photosyntheseleistung je nach der Lichtumgebung, in der sie sich entwickelt hat, ein Plateau erreicht. Bei Pflanzen, die sich im Schatten entwickelt haben, tritt die Lichtsättigung bei viel niedrigeren Intensitäten ein als bei Pflanzen, die sich unter voller Sonne entwickelt haben. Die Lichtsättigung tritt jedoch normalerweise auf (insbesondere bei Sonnenpflanzen), wenn ein anderer Faktor (normalerweiseCO2) begrenzt ist(Abbildung 3). Eine weitere wichtige Überlegung in Bezug auf die Lichtintensität ist der so genannte Lichtkompensationspunkt. Pflanzen haben eine Mindestlichtintensität, die erforderlich ist, um das Erhaltungswachstum zu fördern und die Pflanzen am Leben zu erhalten. Wie zu erwarten, liegt der Lichtkompensationspunkt bei Sonnenpflanzen bei höheren Lichtintensitäten als bei Schattenpflanzen. Die Bereitstellung einer angemessenen Lichtintensität mit der richtigen spektralen Lichtqualität ist entscheidend für die Förderung des Wachstums neuer Pflanzen.
Beleuchtungssysteme für den Gartenbau können auf zwei Arten eingesetzt werden, um die Lichtintensität zur Förderung der Photosynthese zu erhöhen. Zusätzliches Licht kann durch Beleuchtungssysteme in Gewächshäusern bereitgestellt werden, in der Regel während lichtarmer Bedingungen (z. B. Wintermonate in nördlichen Breitengraden, bewölkte Bedingungen oder eine Kombination aus beidem), oder als alleinige Quelle für photosynthetisches Licht in einer kontrollierten Innenumgebung (z. B. in einer Wachstumskammer, einem Lagerhaus, einem Wachstumszelt usw.), wo das Sonnenlicht nicht als Quelle für die Photosynthese genutzt wird. Einer der Hauptvorteile des Einsatzes von LEDs für beide Anwendungen ist die geringe Wärmeabgabe an der Oberfläche der Diode. Die Erzielung eines sehr hohen PPFD-Wertes mit HID-Lampen war immer durch den Abstand begrenzt, den die Lampen zum Pflanzendach einhalten müssen, da diese Lampen einen hohen Prozentsatz der Energie als Infrarotlicht (IR) abgeben. IR-Licht ist nicht photosynthetisch aktiv und erhöht die Pflanzentemperaturen beträchtlich. Daher besteht eine Methode zur Abschwächung dieser Reaktion darin, den Abstand zwischen der Leuchte und dem Pflanzendach zu vergrößern (was zu einer geringeren Lichtintensität führt und die Einsatzmöglichkeiten auf Einrichtungen mit hohen Decken beschränkt). Mit einem angemessenen Wärmemanagement leiten LEDs die meiste Wärme von der Rückseite der Diode ab. Daher können die Beleuchtungskörper in einem viel geringeren Abstand zum Pflanzendach angebracht werden, so dass die Pflanzen mit sehr hohen PPFD-Werten (≥ 1000 µmol/m2/s) beleuchtet werden können.
Licht Dauer
Die Lichtdauer (Photoperiode) ist die Zeitspanne, in der eine Pflanze während eines 24-Stunden-Zeitraums Licht ausgesetzt ist. Die Länge der Photoperiode kann die Gesamtlichtintensität beeinflussen, die eine Pflanze in 24 Stunden erhält, was wiederum das Gesamtwachstum beeinflusst. Dies wird als tägliches Lichtintegral(DLI) beschrieben, das als die kumulative PPFD definiert ist, die während 24 Stunden abgegeben wird, und in mol/m2/d ausgedrückt wird. Die Photoperiode beeinflusst bei mehreren Pflanzenarten auch den Übergang vom vegetativen zum reproduktiven Wachstum. Allerdings ist es eigentlich die Dunkelperiode (Skotoperiode) und nicht die Photoperiode, die bestimmt, wann bestimmte Arten zum reproduktiven Wachstum übergehen. Der Photorezeptor Phytochrom ist in erster Linie für die Signalisierung des Übergangs zum reproduktiven Wachstum bei photoperiodischen Pflanzen verantwortlich(um mehr darüber zu erfahren, klicken Sie hier, um unseren Leitfaden zur Photomorphogenese zu lesen). Pflanzen mit kurzem Tag (langer Nacht) blühen, wenn das Phytochrom eine ununterbrochene lange Nacht (im Allgemeinen ≥ 12 Stunden) wahrnimmt. Pflanzen mit langem Tag (kurzer Nacht) blühen während kurzer Nächte (im Allgemeinen ≤ 12 Stunden). Alternativ dazu sind mehrere Pflanzenarten tagneutral, bei denen die Photoperiode keinen Einfluss auf die Blüte hat.
Beleuchtungssysteme für den Gartenbau können für photoperiodisches Licht eingesetzt werden, um die Tageslänge zu verlängern und so entweder die Blüte von Langtagspflanzen zu fördern oder die Blüte von Kurztagspflanzen zu unterdrücken, unabhängig von der Jahreszeit oder dem Klima. Bisher wurden für die photoperiodische Beleuchtung in Gewächshäusern HID-, Glühbirnen- oder Leuchtstofflampen verwendet. Diese Technologien sind jedoch relativ ineffizient bei der Umwandlung von elektrischer Energie in PAR. Fluence-Beleuchtungssysteme wandeln elektrische Energie effizienter in PAR um als diese Beleuchtungstechnologien. Weitere Informationen finden Sie in dieser Veröffentlichung der Utah State University.
Schlussfolgerung
Die Arbeit von Dr. McCree und Dr. Inada war grundlegend für das Verständnis des Einflusses der spektralen Lichtqualität auf die Photosynthese. Die Erforschung der Photobiologie steckt jedoch noch in den Kinderschuhen, und die rasanten Fortschritte bei den LED-Technologien haben es den Forschern ermöglicht, die Arbeit der früheren Pflanzenwissenschaftler zu erweitern. Im Bereich der Photobiologie gibt es noch viel zu tun, und Fluence Bioengineering arbeitet mit weltweit anerkannten Pflanzenwissenschaftlern und kommerziellen Züchtern zusammen, um die Wechselwirkung zwischen Leben und Licht weiter zu erforschen.
