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Neudefinition der McCree-Kurve an der Utah State University
Verfasst am
von
Fluence Bioengineering
Bewertung der photosynthetisch aktiven Strahlung mit Fluence-LED-Systemen zur Steigerung derPhotosynthese
"LEDs bewirken einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der Photobiologie" - Dr. Bruce Bugbee, Ph.D. Department of Plants, Soils and Science; Utah State University
Viel zu lange hat eine veraltete Forschung das Verständnis der Gartenbauwissenschaftler für die photosynthetisch aktive Strahlung eingeschränkt. Diese wird auch als PAR bezeichnet und bezeichnet die kritischen Wellenlängen des Lichts zwischen 400 und 700 nm, die das Pflanzenwachstum fördern.
Die bahnbrechenden Experimente von Dr. Keith McCree in den 1970er Jahren definierten den PAR-Bereich; viele Pflanzenwissenschaftler (einschließlich McCree selbst) wussten jedoch, dass auch Wellenlängen außerhalb des PAR-Bereichs die Photosynthese wirksam anregen können. Dies hat zu einem fragmentierten Verständnis darüber geführt, wie Pflanzen auf die Wellenlängen des Lichts reagieren. Aufgrund dieser Wissenslücke war die Produktivität der Pflanzen im kommerziellen Gartenbau nicht optimal.
Und so war die McCree-Kurve vierzig Jahre lang das PAR-Evangelium.
Bis jetzt."Die McCree-Kurve ist irreführend", sagt Dr. Bruce Bugbee von der Utah State University. "Es ist noch ein bisschen früh, um zu sagen, dass die Definition der photosynthetisch aktiven Strahlung geändert werden sollte, aber das ist es, was wir herausfinden.
Als herausragender Forscher und Autor bzw. Mitautor von fast 200 von Experten begutachteten Zeitschriftenartikeln ist Bugbee der Ansicht, dass die Synergie der verschiedenen Wellenlängen von grundlegender Bedeutung ist. Während sich McCrees Forschung auf Behandlungen einzelner Wellenlängen in einzelnen Blättern stützte, verfolgen Bugbees aktuelle Experimente einen ganzheitlichen Ansatz, um die Reaktionen der Pflanzen auf die spektrale Zusammensetzung zu bewerten. Insbesondere untersucht er die Reaktion der gesamten Pflanze auf Wellenlängen außerhalb des PAR-Spektrums, die bisher als von Pflanzen ungenutzt galten, und stellt fest, dass sie die Photosynthese und das Wachstum erheblich beeinflussen. Seine in Kürze veröffentlichten Forschungsergebnisse werden sich als entscheidend für die Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung erweisen, und in den kommenden Jahren können kommerzielle Anbauer von ihren LED-Leuchten bessere Erträge pro Kilowattstunde erwarten.
Mit einer Kombination aus "weißen" und einwelligen LED-Lampen von Fluence Bioengineering kann Bugbee das gesamte Spektrum des Lichts auf eine Art und Weise beeinflussen, die McCree nicht möglich war. McCree war auf die alten Technologien von Prismen und Lichtfiltern beschränkt, um isolierte Spektren zur Messung der Photosynthese einzelner Blätter (und nicht ganzer Pflanzen) bei schwachem Licht zu erzeugen, die sich bei hoher Lichtintensität und unter realen Wachstumsbedingungen als irreführend erwiesen.
"Mit Geräten, wie wir sie von Fluence haben, können wir physiologisch relevante Lichtmengen testen. Bei weniger als 100 µmol/m2/s [wie von McCree verwendet] hungern die Pflanzen nach Licht, und ihre Reaktion auf eine bestimmte Wellenlänge kann anders ausfallen als bei vollem Sonnenlicht", sagt Bugbee.
In den ursprünglichen Experimenten von McCree wurde nur ein einziges Blatt verwendet, um den CO2 Aufnahme (Photosynthese) bei jeder Wellenlänge. Bugbee und sein Team verwenden eine Gasaustauschkammer für die ganze Pflanze und eine längere Testdauer der Lichtexposition, um realistischere Messungen zu erhalten. Außerdem prüft Bugbee die Modulation der Testwellenlängen in Kombination mit einem Vollspektrum-Licht und nicht wie bei McCree mit isoliertem Licht. Und während McCree Licht mit einer einzigen Wellenlänge durch Filter erhalten musste, werden bei der neuen Forschung das Spektrum und die Lichtstärke genau kontrolliert.
Mit Fluence-LEDs erreicht Bugbee eine bessere Versuchsplanung und präzise kontrollierte spektrale Veränderungen. "Wir sind Fluence sehr dankbar für die Entwicklung von Beleuchtungssystemen, die neue Erkenntnisse in der Photobiologie ermöglichen", sagt Bugbee. "Die LEDs machen diese Forschung erst möglich."
Eine Ergänzung des PAR-Spektrums
"Wellenlängen sind synergetisch. Die beste Analogie, die ich verwenden kann, ist eine ausgewogene Ernährung", sagt Bugbee. Er erklärt, dass eine robuste Komponente aus verschiedenen Wellenlängen sowohl innerhalb und außerhalb von PAR ermöglicht höhere Photosyntheseraten als Schmalbandspektren und erzielt damit eine Wirkung, die größer ist als die Summe der Teile. "Man muss alle Nährstoffe haben, um richtig wachsen zu können.
Fluence, Bugbee und sein Team bieten eine nuanciertere Herangehensweise an das PAR-Spektrum mit einer tieferen Erforschung dessen, was eine "ausgewogene Ernährung" mit Licht ausmacht. Nach Jahrzehnten im Labor haben wir seiner Meinung nach erst begonnen, die gegenseitige Abhängigkeit der Stoffwechselprozesse von Pflanzen zu verstehen.
"Wir stehen noch ganz am Anfang der Photobiologie. Unser bisheriges Verständnis ist unvollständig, und wir tun unser Bestes, um die neuen Puzzlestücke mit neuen Technologien wie LEDs zusammenzusetzen", sagt Bugbee, der sein Fachwissen auch weiterhin dort einsetzen will, wo es seiner Meinung nach am zukunftsträchtigsten ist.
"Ich sage meinen Doktoranden, dass es für unser Labor wichtig ist, die Grundlagenforschung zu betreiben. Dann überlassen wir es anderen - wie Fluence - die Ergebnisse im kommerziellen Gartenbau anzuwenden."
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"Die McCree-Kurve ist irreführend", sagt Dr. Bruce Bugbee von der Utah State University. "Es ist noch ein bisschen früh, um zu sagen, dass die Definition der photosynthetisch aktiven Strahlung geändert werden sollte, aber das ist es, was wir herausfinden.
Als herausragender Forscher und Autor bzw. Mitautor von fast 200 von Experten begutachteten Zeitschriftenartikeln ist Bugbee der Ansicht, dass die Synergie der verschiedenen Wellenlängen von grundlegender Bedeutung ist. Während sich McCrees Forschung auf Behandlungen einzelner Wellenlängen in einzelnen Blättern stützte, verfolgen Bugbees aktuelle Experimente einen ganzheitlichen Ansatz, um die Reaktionen der Pflanzen auf die spektrale Zusammensetzung zu bewerten. Insbesondere untersucht er die Reaktion der gesamten Pflanze auf Wellenlängen außerhalb des PAR-Spektrums, die bisher als von Pflanzen ungenutzt galten, und stellt fest, dass sie die Photosynthese und das Wachstum erheblich beeinflussen. Seine in Kürze veröffentlichten Forschungsergebnisse werden sich als entscheidend für die Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung erweisen, und in den kommenden Jahren können kommerzielle Anbauer von ihren LED-Leuchten bessere Erträge pro Kilowattstunde erwarten.
Mit einer Kombination aus "weißen" und einwelligen LED-Lampen von Fluence Bioengineering kann Bugbee das gesamte Spektrum des Lichts auf eine Art und Weise beeinflussen, die McCree nicht möglich war. McCree war auf die alten Technologien von Prismen und Lichtfiltern beschränkt, um isolierte Spektren zur Messung der Photosynthese einzelner Blätter (und nicht ganzer Pflanzen) bei schwachem Licht zu erzeugen, die sich bei hoher Lichtintensität und unter realen Wachstumsbedingungen als irreführend erwiesen.
"Mit Geräten, wie wir sie von Fluence haben, können wir physiologisch relevante Lichtmengen testen. Bei weniger als 100 µmol/m2/s [wie von McCree verwendet] hungern die Pflanzen nach Licht, und ihre Reaktion auf eine bestimmte Wellenlänge kann anders ausfallen als bei vollem Sonnenlicht", sagt Bugbee.
In den ursprünglichen Experimenten von McCree wurde nur ein einziges Blatt verwendet, um den CO2 Aufnahme (Photosynthese) bei jeder Wellenlänge. Bugbee und sein Team verwenden eine Gasaustauschkammer für die ganze Pflanze und eine längere Testdauer der Lichtexposition, um realistischere Messungen zu erhalten. Außerdem prüft Bugbee die Modulation der Testwellenlängen in Kombination mit einem Vollspektrum-Licht und nicht wie bei McCree mit isoliertem Licht. Und während McCree Licht mit einer einzigen Wellenlänge durch Filter erhalten musste, werden bei der neuen Forschung das Spektrum und die Lichtstärke genau kontrolliert.
Mit Fluence-LEDs erreicht Bugbee eine bessere Versuchsplanung und präzise kontrollierte spektrale Veränderungen. "Wir sind Fluence sehr dankbar für die Entwicklung von Beleuchtungssystemen, die neue Erkenntnisse in der Photobiologie ermöglichen", sagt Bugbee. "Die LEDs machen diese Forschung erst möglich."
Eine Ergänzung des PAR-Spektrums
"Wellenlängen sind synergetisch. Die beste Analogie, die ich verwenden kann, ist eine ausgewogene Ernährung", sagt Bugbee. Er erklärt, dass eine robuste Komponente aus verschiedenen Wellenlängen sowohl innerhalb und außerhalb von PAR ermöglicht höhere Photosyntheseraten als Schmalbandspektren und erzielt damit eine Wirkung, die größer ist als die Summe der Teile. "Man muss alle Nährstoffe haben, um richtig wachsen zu können.
Fluence, Bugbee und sein Team bieten eine nuanciertere Herangehensweise an das PAR-Spektrum mit einer tieferen Erforschung dessen, was eine "ausgewogene Ernährung" mit Licht ausmacht. Nach Jahrzehnten im Labor haben wir seiner Meinung nach erst begonnen, die gegenseitige Abhängigkeit der Stoffwechselprozesse von Pflanzen zu verstehen.
"Wir stehen noch ganz am Anfang der Photobiologie. Unser bisheriges Verständnis ist unvollständig, und wir tun unser Bestes, um die neuen Puzzlestücke mit neuen Technologien wie LEDs zusammenzusetzen", sagt Bugbee, der sein Fachwissen auch weiterhin dort einsetzen will, wo es seiner Meinung nach am zukunftsträchtigsten ist.
"Ich sage meinen Doktoranden, dass es für unser Labor wichtig ist, die Grundlagenforschung zu betreiben. Dann überlassen wir es anderen - wie Fluence - die Ergebnisse im kommerziellen Gartenbau anzuwenden." 
