Einführung

Die Sonne ist die Hauptenergiequelle für die Entwicklung von Biomasse und den Betrieb der Lebensprozesse auf unserem Planeten. Die Energie der Sonne wird in Form von elektromagnetischer Strahlung in den Weltraum abgestrahlt und trifft in verschiedenen Wellenlängen auf die Erde. Das menschliche Auge nimmt normalerweise Licht im Wellenlängenbereich von 380-780 Nanometern (nm) wahr. So wie das menschliche Auge eine Lichtwahrnehmung und -empfindlichkeit hat, haben auch Pflanzen ihre spezielle Empfindlichkeitskurve für die Photosynthese. Pflanzen absorbieren den Anteil des Lichts im Wellenlängenbereich von 400-700 nm. Die photosynthetisch aktive Strahlung wird als “PAR” abgekürzt.

Das Pflanzenwachstum wird durch drei Prozesse angetrieben, die auf das Licht reagieren:

► Photosynthese (Stoffwechsel)
► Photomorphogenese (Formentwicklung)
► Photoperiodismus (Tageslängenreaktion)

Photosynthese

Der wichtigste dieser Prozesse ist die Photosynthese: die Grundlage für Pflanzenwachstum und -entwicklung. Einfacher ausgedrückt, ist es ein Prozess, den alle Pflanzen nutzen, um die Energie des Sonnenlichts zu sammeln. Die Pflanzen speichern die gesammelte Energie als Kohlenhydrate, so dass das Sonnenlicht im Grunde als Nahrung für die Pflanze dient. Das Licht wird mit Hilfe des Pigments Chlorophyll absorbiert.Die beiden wichtigsten Chlorophylle sind die Pigmente Chlorophyll A und Chlorophyll B sowie andere Hilfspigmente, wie z.B. die Carotinoide. Wie in Abb. zu sehen. 1 Chlorophyll A absorbiert das Licht im blauen und roten Wellenlängenbereich, mit Absorptionsspitzen bei 430 nm und 662 nm. Grünes und fernrotes Licht wird dagegen kaum oder gar nicht absorbiert. Chlorophyll B nutzt einen ähnlichen Bereich, mit Absorptionsspitzen bei etwa 453 nm und 642 nm. Hilfspigmente, wie hier das Beta-Carotin, nutzen kleinere Teile des Lichtspektrums mit Absorptionsspitzen bei 400-500 nm.Chlorophyll A ist das Hauptpigment für die Umwandlung von^CO2 in Kohlenhydrate. Die Hilfspigmente leiten die absorbierte Energie an Chlorophyll A weiter, tatsächlich erweitern sie nur das Wirkungsspektrum. Das Wirkungsspektrum ist die Empfindlichkeitskurve des Lichts auf die Photosynthese der Pflanze. Um genaue Aussagen über die Lichtabsorption verschiedener Pigmente machen zu können, führten die Wissenschaftler ein komplexes Messverfahren mit einem Spektralphotometer durch, bei dem jede Wellenlänge auf die spezifische Absorptionsrate getestet wurde. Das Ergebnis der Aktivität von Hauptpigmenten und Hilfspigmenten wird im Wirkungsspektrum grafisch dargestellt (Abb. 2).Wenn Sie das Aktionsspektrum (Abb. 2) mit dem entsprechenden Absorptionsspektrum von Chlorophyll A (Abb. 1) vergleichen, werden Sie feststellen, dass sie nicht übereinstimmen. Tatsächlich lässt das Absorptionsspektrum den Schluss zu, dass die Photosynthese hauptsächlich durch blaues und rotes Licht (und am wenigsten durch grünes Licht) angetrieben wird. Das photosynthetische Wirkungsspektrum hingegen zeigt uns, wo der Durchschnitt aller Chlorophylle am stärksten absorbiert wird. Viele Menschen wenden fälschlicherweise die Absorptionsspektrumskurve an, um das optimale Lichtspektrum zu bestimmen, und gehen davon aus, dass nur Rot und Blau hauptsächlich verwendet werden sollten. Das ist nicht ganz richtig, denn ein breiteres Lichtspektrum ist weitaus effektiver als ein schmalbandiges Lichtspektrum (z.B. nur blau und rot). Besonders in Innenräumen, wenn einzelne Farben mit sehr hoher Intensität ausgestrahlt werden, kann die Pflanze eine Lichtsättigung erreichen und nur ein kleiner Teil dieses Lichts wird verarbeitet. Im Gewächshausbetrieb sind Blau und Rot eine gute Ergänzung zum breiten Sonnenlichtspektrum.

Abb. 1: Absorptionsspektrum Chlorophyll A, B und Beta-Carotin

Abb. 2: Action-Spektrum

Photomorphogenese

Photomorphogenese ist der Einfluss des Lichts auf die Formgebung der Pflanzen. Ein hoher Anteil an Licht im blauen Spektralbereich führt zu einem kurzen und buschigen Pflanzenwachstum mit kurzen Internodien. Im Gegenteil, eine hohe Konzentration des roten Spektrums lässt Ihre Pflanzen hoch und mit wenigen Seitenästen wachsen.

Was kann ein excite Grow Light in diesem Bereich leisten? Beispiel: Lassen Sie Ihre Pflanzen zunächst kurz und buschig mit außergewöhnlich dichten Internodien wachsen und setzen Sie sie ab der 2.

Photoperiodismus

Photoperiodismus das Phänomen, dass Pflanzen unterschiedlich auf die Länge der Licht- und Dunkelperioden reagieren. Manche Pflanzen blühen nur dann, wenn die Dauer der täglichen Belichtung unter einem kritischen Wert liegt (Kurztagspflanzen), während andere nur dann blühen, wenn die tägliche Lichtmenge über diesem kritischen Wert liegt (Langtagspflanzen). Der Prozess des Photoperiodismus wird auch von der Wellenlänge des Lichts beeinflusst. Rotes Licht bringt das Phytochrom in eine aktive Form. Die aktive Phytochromreaktion weckt die Pflanze im Grunde auf, um die Photosynthese zu starten und wird auch als Pr (Phytochrom rot) bezeichnet. Infrarotlicht löst die inaktive Phytochromreaktion aus, auch Pfr (Phytochrom far red) genannt. In der inaktiven Pfr-Form geht die Pflanze in den Schlaf. Während der dunklen Periode regeneriert sich die Pflanze und entwickelt Blüten.

Das photosynthetische Spektrum

Bestimmte Wellenlängen und Farben sind für die Pflanze lebenswichtig und bestimmte andere unterdrücken die Photosynthese. Die richtige Kombination von Wellenlängen in Ihrem LED-Wachstumslicht ist entscheidend für ein gesundes und natürliches Pflanzenwachstum. Die meisten Pflanzen haben die höchste Photosyntheserate im blau-violetten, orangefarbenen, roten und ein Minimum im grünen Lichtspektrum.

UV-Licht

Das für den Menschen unsichtbare UV-Licht wird in drei Typen unterteilt: UV-A, UV-B und UV-C.UV-A liegt im Wellenlängenbereich von 315-400 nm und wird größtenteils durch die Atmosphäre übertragen, bevor es auf die Erde trifft. UV-A war für Wissenschaftler lange Zeit kein wichtiger Schlüssel zur ^{Photosynthese1}. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die UV-A-Strahlung positive Auswirkungen auf das Wachstum und die Blüte von Pflanzen hat2^,3. Das bedeutet, dass Strahlen außerhalb des PAR-Spektrums die grundlegenden Photosyntheseprozesse beeinträchtigen.Wenn wir den Begriff UV-Licht verwenden, assoziieren wir ihn oft mit UV-B. UV-B liegt im Wellenlängenbereich zwischen 290-315 nm und wird in der Regel von der Ozonschicht gefiltert (wo sie ausreichend dick ist). UV-Licht verursacht im Allgemeinen Probleme, ob für uns Menschen oder für Pflanzen. Zu viel UV-B-Licht kann das Pflanzenwachstum hemmen4^undwichtige Nukleinsäuren zerstören^.5 PAR-Licht und UV-A treiben die Produktion von Chloroplasten (einschließlich Beta-Carotin) an, um das Abwehrsystem gegen Stress und Krankheiten zu stärken und einen gewissen Schutz gegen UV-B-Strahlen zu bieten. Eine dauerhafte Exposition gegenüber UV-B sollte jedoch in jedem Fall vermieden werden^.6Bestimmte Pflanzenarten können von UV-B profitieren. Während der Blütephase kann die Produktion von potenten Blüten beschleunigt ^werden7. Aufgrund der Zellschäden durch UV-B versucht die Pflanze, die exponierten Zellen durch eine erhöhte Harzproduktion zu schützen.

UV-B-Strahlen sollten idealerweise seitlich auf die Pflanze einstrahlen und nicht von oben, um die Schäden an den Pflanzen zu minimieren. Für diese Methode empfehlen wir die Verwendung einer zeitgesteuerten T5/T8 UV-B Lampe für max. 3-4 Stunden während der letzten 3 Wochen der Blüte.

UV-C ist mit 200-290 nm weit vom sichtbaren Licht entfernt. Da nur sehr wenig UV-C-Strahlung durch die Atmosphäre dringt, wurde sie in der Wissenschaft nicht als wichtig für Bioorganismen angesehen.

Blau-Violett und Blau

Der blau-violette und blaue Bereich des Lichts hat eine Spannweite von etwa 400-520 nm. Wellenlängen im blauen Bereich treiben die Photosynthese maßgeblich an^.8 Je mehr Licht die Pflanzen aus dem blau-violetten und blauen Spektrum erhalten, desto größer werden ihre Blätter. Blaue Wellenlängen spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Chloroplasten^.4 Chloroplasten sind die Teile der Blattzellen, die Chlorophyll enthalten und an der Photosynthese beteiligt sind.Blaues Licht spielt eine Vielzahl wichtiger Rollen in der Photomorphogenese von Pflanzen, einschließlich der Regulierung der ^{Spaltöffnungen9}, des Wasserhaushalts und des^{CO2-Austauschs}, der Entwicklung der natürlichen ^Form10 sowie der Kontrolle des ^{Phototropismus11}(Lichtempfindlichkeit).

Grün

Der mittlere Bereich des sichtbaren Spektrums erstreckt sich von Grün bei etwa 520 nm und verläuft in einer gelben Farbe bis zu etwa 600 nm. Es wurde davon ausgegangen, dass die grünen Farben in diesem Bereich von der Mehrheit der Pflanzen nur wenig oder gar nicht absorbiert werden. Die Wissenschaftler haben einfach festgestellt, dass die Blätter grün sind, weil sie das grüne Licht reflektieren. Das ist der Grund, warum Chlorophyll grün aussieht, was wiederum den Blättern die grüne Farbe verleiht. Dabei wurde völlig außer Acht gelassen, dass Carotinoide und andere Hilfspigmente Licht in der Mitte des Spektrums absorbieren. Neuere Studien haben gezeigt, dass die Pflanzen den Großteil des grünen Lichts absorbieren^.12

Rot und Fernrot

Rotes Licht ist die effektivste Wellenlänge für die Photosynthese4^,7. Infrarotlicht wird von der Pflanze hauptsächlich dazu verwendet, konkurrierende Pflanzen anhand der Beschattung zu erkennen^.13Das rote Farbspektrum reicht von 600 – 730nm, während das Infrarotspektrum bei 730nm beginnt und bei etwa 1.400 nm endet. Sowohl rotes Licht als auch Infrarotlicht beeinflussen die Reaktion des Phytochroms und die Umwandlung zwischen der aktiven und der inaktiven Form (Pr und Pfr). Für eine optimale Photosynthese müssen sowohl Rot als auch Infrarot für die Pflanze verfügbar sein^.7Tatsächlich sind die Auswirkungen von rotem Licht auf die Photosynthese ähnlich wie die Auswirkungen des blauen Lichtspektrums^.8

Quellen:

¹ Caldwell M. (1971): Ultraviolette Sonnenstrahlung und das Wachstum und die Entwicklung höherer Pflanzen. In: Photophysiologie. Academic Press, New York.

² Yao X., Liu Q. (2006): Veränderungen der morphologischen, photosynthetischen und physiologischen Reaktionen von Mono-Ahorn-Sämlingen auf erhöhte UV-B-Strahlung und Stickstoffzugabe.

³ Barta C., Kalai T., Hideg K., Vass I., und Hideg E. (2004). Unterschiede in der ROS-erzeugenden Wirksamkeit verschiedener ultravioletter Wellenlängen in abgelösten Spinatblättern.

⁴ Zheng, J., Hu, M., & Guo, Y. (2008): Die Regulierung der Photosynthese durch die Lichtqualität und ihr Mechanismus in Pflanzen.

⁵ Strid, A., Chow, W., & Anderson, J. (1994): UV-B-Schäden und Schutz auf molekularer Ebene in Pflanzen.

⁶ Fernando J., Fernando H., António E., Maria Manuela A., Maria Paula Duarte & José C. Ramalho (2012): Auswirkungen der UV-B-Strahlung auf die Photosynthese – ein Überblick.

⁷ Lydon, J., Teramura, A., RH, & Coffmann, C. (2008): Auswirkungen von UV-B-Strahlung auf die Photosynthese, das Wachstum und die Cannabioid-Produktion von zwei Cannabis sativa Chemotypen.

⁸ Hogewoning, S., Trouwborst, H., Maljaars, H., Poorter, H., van Leperen, W. & Harbinson, J. (2010): Blaulicht-Dosis-Reaktionen der Blattphotosynthese, Morphologie und chemischen Zusammensetzung von Cucumis sativus, die unter verschiedenen Kombinationen von rotem und blauem Licht gewachsen sind.

⁹ Schwartz, A. & Zeiger E. (1984): Metabolische Energie für die Stomataöffnung. Die Rolle der Photophosphorylierung und der oxidativen Phosphorylierung.

¹⁰ Cosgrove, D. (1981): Schnelle Unterdrückung des Wachstums durch blaues Licht.

¹¹ Blaauw und Blaauw-Jansen, (1970): Die phototropen Reaktionen der Koleoptilen von Avena.

¹² Terashima I., et al (2009): Grünes Licht treibt die Photosynthese von Blättern effizienter an als rotes Licht bei starkem weißen Licht: Die rätselhafte Frage, warum Blätter grün sind, wird neu beantwortet

¹³ Eskins, K., (1992): Auswirkungen der Lichtqualität auf die Entwicklung von Arabidopsis. Regulierung von Blüte und Morphologie durch Rot, Blau und Fernrot.