Der Wasserverbrauchs-Blues: Licht zur Verbesserung der pflanzlichen Produktion nutzen

Fluence arbeitet mit Forschern der University of Florida zusammen, um die Auswirkungen von blauem Licht auf die Wassernutzungseffizienz zu untersuchen

Der Erfolg von Fluence im Bereich der LED-Beleuchtungstechnologie hat dazu beigetragen, eine Welle von Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen des photosynthetischen Spektrums und dessen Einfluss auf die Produktion in der kontrollierten Landwirtschaft auszulösen. Dank der präzisen Steuerung des Lichtspektrums können Wissenschaftler nun über die Grundlagen der Photobiologie hinausgehen und ein differenzierteres Verständnis der Reaktionen von Pflanzen auf die Lichtqualität gewinnen.

An der University of Florida befassen sich Forscher eingehender mit dem photosynthetischen Spektrum und dessen Zusammenhang mit einem oft übersehenen Aspekt des Anbaus: der Wassernutzungseffizienz (WUE). Durch die Variation der Anteile von rotem, blauem und grünem Licht untersuchen die Wissenschaftler, wie Licht die WUE unabhängig von anderen Faktoren beeinflusst.

„Das Spiel mit der Lichtqualität wirkt sich nicht nur auf das Wachstum aus“, sagt Dr. Celina Gómez. „Es beeinflusst auch das, was wir als ‚Produktionsergebnisse‘ bezeichnen – wie zum Beispiel die Wassermenge, die für die Produktion verbraucht wird.“
Gómez und ihr Team haben einen Zusammenhang zwischen dem Anteil des auf den Salat einwirkenden blauen Lichts und dessen Wasseraufnahme festgestellt. Letztendlich beobachteten sie, dass blaues Licht die WassernutzungsEffizienz (WUE) verringert, höchstwahrscheinlich durch eine Erhöhung der Stomatalleitfähigkeit – einer Pflanzenfunktion, die eng mit der Transpiration verbunden ist.

Wasserverbrauchseffizienz, stomatäre Leitfähigkeit und blaues Licht

„Wir haben den Wasserverbrauch erfasst – nicht nur eine Momentaufnahme des Gasaustauschs“, sagt Gómez. „Wir haben tatsächlich den gesamten Wasserverbrauch über den gesamten Anbauzyklus hinweg gemessen.“

Bei den Versuchsbedingungen des Experiments wurden sechs Verhältnisse von blauem (446 nm) und rotem Licht (664 nm) verwendet, die schrittweise von 0 % Blau + 100 % Rot bis zu 100 % Blau + 0 % Rot variierten. Eine weitere Versuchsbedingung umfasste breitbandiges weißes Licht, das auch grünes Licht enthielt. Mit jeder Erhöhung des Blauanteils um 10 % stieg die Wasserdampf-Stomatalleitfähigkeit um 10 mmol·m⁻²·s⁻¹.

Unter Gartenbauwissenschaftlern und Forschern ist allgemein bekannt, dass die typische morphogene Reaktion auf erhöhte Blaulichtmengen in einer Verringerung der Pflanzenhöhe und der Blattfläche besteht. Die geringere Strahlungsaufnahme durch kompaktere Pflanzen gilt als Hauptgrund für das verminderte Wachstum als Reaktion auf erhöhtes Blaulicht. Zudem steigt die Stomata-Leitfähigkeit bei Blaulicht tendenziell an. Gómez erklärt, dass dies durch die Photorezeptoren Cryptochrom und Phototropin ausgelöst wird, die Blaulicht absorbieren, sowie durch eine daraus resultierende Reaktion in den Ionenkanälen der Pflanze, die die Öffnung der Stomata-Poren fördert.

Zudem könnte die geringere photosynthetische Effizienz von blauem Licht das Wachstum gehemmt und somit die Ergebnisse zur Wassernutzungseffizienz beeinflusst haben. Wie Gómez anmerkt, haben frühere Studien ergeben, dass die photosynthetische Effizienz von blauem Licht um bis zu 35 % geringer ist als die anderer Wellenlängenbereiche. Ein geringerer Ertrag an Pflanzenmasse wirkt sich auf die Wassernutzungseffizienz aus – unabhängig vom Wasserverbrauch.

Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass diese Experimente in einer kontrollierten Umgebung mit bestimmten Umgebungssollwerten durchgeführt wurden. Abweichende Sollwerte könnten die in dieser Studie gemessenen Reaktionen beeinflussen.

Grünes Licht kann die Effizienz der Wassernutzung verbessern

Um die Wechselwirkungen von rotem und blauem Licht besser zu verstehen, setzten Gómez und ihr Team zudem eine Breitband-Beleuchtungsbehandlung ein. Diese Weißlichtgruppe erhielt das gleiche tägliche Lichtintegral wie die Blau-/Rot-Behandlungen (17,5 mol·m⁻²·d⁻¹), jedoch bei einem Spektralverhältnis von 19 % Blau + 43 % Grün + 38 % Rot. Das Team stellte fest, dass Pflanzen, die unter dem Breitspektrumlicht gezüchtet wurden, möglicherweise eine bessere Wassernutzungseffizienz (WUE) aufweisen als Pflanzen, die ausschließlich unter >66 % blauem Licht von roten und blauen LEDs gezüchtet wurden.

„Wir haben die Behandlung mit weißem Licht mit den Behandlungen mit rotem und blauem Licht verglichen und dabei sehr unterschiedliche Ergebnisse festgestellt“, sagt Gómez. „Bei weißem Licht konnten wir weder einen Rückgang der Wassernutzungseffizienz noch einen Anstieg der Stomatalleitfähigkeit beobachten. Und andere Studien haben gezeigt, dass grünes Licht einigen der Reaktionen auf blaues Licht entgegenwirkt – darunter auch der Stomatalleitfähigkeit.“

Gómez weist jedoch darauf hin, dass es sich hierbei um eine konzeptionelle Studie und nicht um ein reales Szenario handelt; normalerweise würden Landwirte nicht unter einem so hohen Blaulichtanteil anbauen. Dennoch sind die Auswirkungen auf die zukünftige photobiologische Forschung von großer Bedeutung.

Mit dem Fortschritt der Spektralforschung können Gartenbauwissenschaftler weitere Erkenntnisse über bisher nicht miteinander in Zusammenhang gebrachte Produktionsvariablen – wie Blaulicht und WUE – erwarten. Und dank der technischen Unterstützung durch Fluence Bioengineering werden Forscher wie Dr. Gómez die Wissenschaft der Beleuchtung und des Anbaus weiter vorantreiben.

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