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Wie beeinflusst Licht das Pflanzenwachstum? Verschiedene Spektren beeinflussen das Wachstum von Nutzpflanzen

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Pflanzen benötigen Licht während ihrer gesamten Lebensdauer, von der Keimung bis zur Blüten- und Samenproduktion. Während des Wachstumsprozesses absorbieren sie nicht alle Wellenlängen des Lichts (Sonnenstrahlung), sondern absorbieren selektiv die für ihre Bedürfnisse geeignete Wellenlänge.

Chlorophylle (Chlorophyll a und b) spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese, aber sie sind nicht die einzigen Chromophore. Pflanzen verfügen über weitere photosynthetische Pigmente, so genannte Antennenpigmente (wie die Carotinoide β-Carotin, Zeaxanthin, Lycopin und Lutein usw.), die an der Lichtabsorption beteiligt sind und eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielen.

Eine LED ist eine Art Halbleiterdiode, die es dem Züchter ermöglicht, die spektrale Zusammensetzung zu kontrollieren und die Lichtintensität an die Photorezeptoren der Pflanze anzupassen, um ein besseres Wachstum zu fördern und die Pflanzenmorphologie sowie verschiedene physiologische Prozesse wie die Blütenbildung und photosynthetische Effizienz zu beeinflussen. Mehrere Berichte haben das erfolgreiche Wachstum von Pflanzen unter LED-Beleuchtung bestätigt. 

Zum Beispiel erhöhte sich der Biomasseertrag von Salat, wenn die Wellenlänge des von roten LEDs ausgestrahlten Lichts von 660 auf 690 nm anstieg. Blaue LEDs (440 und 476 nm), die in Kombination mit roten LEDs verwendet wurden, verursachten ein höheres Chlorophyllverhältnis in Chinakohlpflanzen. Die positiven Auswirkungen von blauem (400-500 nm) LED-Licht in Kombination mit rotem LED-Licht, auf das Wachstum und den Nährwert von grünem Gemüse, wurden in mehreren Experimenten gezeigt. Rotes LED-Licht (640 nm) führte als einzige Quelle zu einer Erhöhung des Anthocyan-Gehalts im roten Blattkohl. Grünes (495-566 nm) und gelbes (566-589 nm) Licht trägt zur Photosynthese bei, orangefarbenes Licht (589-627 nm) optimiert die maximale Photosynthese, und rotes Licht (627-770 nm) fördert die Blütebildung und die Verlängerung des Stängels. Mehrere gartenbauliche Experimente mit Kartoffeln, Radieschen und Salat haben die Menge an blauem Licht (400-500 nm) ermittelt, die für eine höhere Biomasse und Blattfläche erforderlich ist.

Der wichtigste Teil des Lichtspektrums liegt bei 400 bis 700 nm, der als photosynthetisch aktive Strahlung (photosynthetically active radiation=PAR) bezeichnet wird. Dieser Spektralbereich entspricht mehr oder weniger dem sichtbaren Spektrum des menschlichen Auges. 

Fernrotes Licht ist auch während des Wachstumsprozesses wichtig. Die Anwendung von fernrotem (730 nm) mit rotem (640 nm) Licht bewirkte eine Zunahme der Gesamtbiomasse und der Blattlänge, während das Anthocyane (Anthocyan-) und antioxidative Potenzial unterdrückt wurde. Die Zugabe von fernrotem (735 nm) zum roten (660 nm) LED-Licht bei Gemüsepaprika führte zu höheren Pflanzen mit höherer Stammbiomasse als mit den roten LEDs allein. 

Sonneneinstrahlung

Die Sonnenstrahlung kann in drei Wellenbereiche unterteilt werden:

Ultraviolett (UV) hat eine Wellenlänge von weniger als 400 nm und kann aufgrund seiner hohen Energie Hautschäden verursachen.

Sichtbares Licht ist Licht innerhalb des Wellenbereichs von 380-770 nm und enthält den PAR-Wellenbereich (400-700 nm). Die verschiedenen Farben des sichtbaren Lichts, die den verschiedenen Wellenbändern entsprechen, haben möglicherweise nicht die gleiche Wirkung auf die Pflanzenentwicklung. 

Infrarot (IR)-Licht ist größer als 770 nm und hat einen Erwärmungseffekt. Das Rot: Fernrot (R:FR) -Verhältnis ist für Pflanzen sehr wichtig, da es die Wachstumsreaktion der Pflanzen beeinflusst.

Rot

Rotes Licht (630-720 nm) wird für die Entwicklung des Photosyntheseapparates und für die Photosynthese benötigt. Es ist für das Wachstum des Stammes sowie für die Ausdehnung der Blätter unerlässlich. Diese Wellenlänge reguliert auch die Blüte, die Ruhephasen und die Keimung der Samen.

Blau

Blaues Licht (400-520 nm) ist wichtig für die Synthese von Chlorophyll, die Entwicklung von Chloroplasten, die Öffnung der Stomata und die Photomorphogenese. Blaues Licht muss sorgfältig mit Licht aus anderen Spektren gemischt werden, da eine Überbelichtung mit Licht dieser Wellenlänge das Wachstum bestimmter Pflanzenarten hemmen kann. Licht im blauen Bereich beeinflusst auch den Chlorophyllgehalt der Pflanze sowie die Blattdicke.

Grün

Grünes Licht (500 – 600 nm) dringt durch dicke obere Baumkronen, um die Blätter in der unteren Baumkrone zu unterstützen. Grünes Licht allein reicht jedoch nicht aus, um das Pflanzenwachstum zu unterstützen, da es das Licht ist, das von den Pflanzen am wenigsten absorbiert wird. Aber wenn es in Kombination mit rotem, blauem und fernrotem Licht verwendet wird, wird grünes Licht sicherlich einige wichtige physiologische Wirkungen zeigen. Zusätzliches grünes Licht verstärkte das Wachstum von Salat unter roter und blauer LED-Beleuchtung. Grüne LEDs mit hohem PPF (300 µmol/m-2/S-1) sind am effektivsten, um das Wachstum von Salat zu fördern.

Fernrotes LED-Licht

Es hat sich herausgestellt, dass fernrotes LED-Licht (700-725 nm), welches über den PAR hinausgeht, das Pflanzenwachstum und die Photosynthese unterstützt. Fernrotes Licht durchdringt auch dichte obere Kronen, um das Wachstum von Blättern zu unterstützen, die sich weiter unten an den Pflanzen befinden. Darüber hinaus verkürzt die Einwirkung von IR-Licht die Zeit, die eine Pflanze zur Blüte benötigt. Ein weiterer Vorteil des fernroten LED-Lichts besteht darin, dass Pflanzen, die dieser Wellenlänge ausgesetzt sind, dazu neigen, größere Blätter zu produzieren als diejenigen, die keinem Licht in diesem Spektrum ausgesetzt sind.

Rot+Blau

Unterschiedliche Wellenlängen von rotem (660, 670, 680 und 690 nm) und blauem (430, 440, 460 und 475 nm) Licht können je nach Pflanzenart ungleiche Auswirkungen auf Pflanzen haben.

 

Grün+Rot+Blau

Die Wirkung von grünem (525 nm) LED-Licht auf die Keimung von Arabidopsis-Keimlingen zeigte, dass Keimlinge, die unter grünem, rotem und blauem LED-Licht aufgezogen werden, länger sind als Keimlinge, die nur unter rotem (630 nm) und blauem (470 nm) Licht aufgezogen werden.

Grün+Rot+Blau+Fernrot

Es hat sich gezeigt, dass rotes und fernrotes Licht die Photomorphogenese beeinflusst. So spielt das Verhältnis von rotem und fernrotem Licht auch eine wichtige Rolle bei der Regulation der Blüte. Experimente mit verschiedenen Wellenlängen von grünem, rotem, blauem und fernrotem Licht (die von LEDs geliefert werden), wären bei der Bestimmung der artspezifischen optimalen Wellenlänge für das Pflanzenwachstum von Vorteil. Die Ergebnisse der Untersuchungen des Lichtreaktionsspektrums könnten genutzt werden, um ein energieeffizientes, maßgeschneidertes Lichtreaktionsspektrum für bestimmte Pflanzenarten zu entwerfen.

Wenn Pflanzen reifen und ihren Wachstumszyklus, vom Samen bis zum Keimling und dann bis zur Blüte und Fruchtbildung durchlaufen, verwenden sie unterschiedliche Farbspektren, so dass das ideale LED-Licht für jedes Wachstumsstadium unterschiedlich ist. Das beste Farbspektrum hängt auch von der Art der Pflanze ab, die Sie anbauen möchten. Dies kann sehr kompliziert werden, und es ist wichtig, dass kommerzielle Züchter die richtigen Kombinationen anwenden, wenn sie maximale Ergebnisse erzielen wollen.

Es deutet auch darauf hin, dass Licht den Nährwert und den Gehalt an Antioxidantien in grünem Gemüse erhöhen kann: ein erhöhter Gehalt an Carotinoiden, Vitamin C, Anthocyanen und Polyphenolen ist möglich. In Zukunft wird uns weitere Forschung helfen, besser zu verstehen, wie Licht das Pflanzenwachstum beeinflusst.

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