Horticulture Lighting Was ist der Nutzen von dunkelrotem Licht?

Typische Absorptionsspektren der Hauptpigmente von Pflanzen
Typische Absorptionsspektren der Hauptpigmente von Pflanzen

Über LEDs für Horticulture-Anwendungen hat man bereits viel gehört. Wenig beachtet wurde bislang jedoch der Zusammenhang zwischen rotem bzw. dunkelrotem Licht und dem gezielten Pflanzenwachstum. Neue Gartenbau-LEDs unterstützen nun die Steuerung vieler photomorphologischer Prozesse in Pflanzen.

Der Lichtbedarf von Pflanzen ist weitaus komplexer als ursprünglich angenommen. Das hat zur Entwicklung verschiedener LED-Technologien geführt, mit denen eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtspektren erzeugt werden kann – sowohl monochromatisch als auch polychromatisch. Die sinnvolle Aufnahme einiger Wellenlängen in Lichtrezepte ist noch experimentell, aber eine nicht zu vernachlässigende Region des Spektrums ist der dunkelrote Bereich. Dunkelrot (engl. far-red) umfasst die Wellenlängen von 700 bis 800 nm – ein Bereich des Lichtspektrums, der beim Menschen am Rande der Sichtbarkeit liegt. Diese Wellenlängen führen nachweislich zu schnellerem Wachstum, erhöhter Biomasse und besseren sensorischen Merkmalen (z.B. Geruch, Geschmack, Textur, Farbe).

Aber warum sind Wellenlängen, die nicht in der Photosynthese verwendet werden, so wichtig für die Pflanzenentwicklung? Im Gegensatz zu Mensch und Tier können sich Pflanzen nicht bewegen. Ohne äußere Einflussnahme müssen sie an einem einzigen Ort wachsen und leben. Die Konsequenz für die Pflanzen ist, dass sie in der Lage sein müssen, sich in ungünstigen Bedingungen zurechtzufinden und auch zu überleben, wenn sich ihre Umgebung ändert. Die Reaktion auf begrenzte Ressourcen wie Wasser, Nährstoffe und Licht sowie zirkadiane und zirkuläre Zyklen ist für die Pflanzen überlebenswichtig. Diese Reaktionen können manipuliert werden, um günstige Wachstums­eigenschaften zu erreichen. Aber warum sind dunkelrote Wellenlängen nun unerlässlich für die Pflanzenbeleuchtung?

Photorezeptoren und das Phytochromsystem

Licht wird in erster Linie für die Photosynthese benötigt – den Hauptenergieumwandlungsmechanismus einer Pflanze und den wichtigsten Entwicklungsfaktor, der hauptsächlich durch rotes und blaues Licht über Chlorophyll in den Photosystemen II und I angetrieben wird. Dabei sind drei Faktoren wichtig:

  • Lichtintensität – die Menge an Photonen, die zur Verfügung steht
  • Photoperiodismus – zeigt die Dauer der Exposition an
  • Lichtqualität – entspricht den Wellenlängen von Pflanzen, denen sie ausgesetzt sind

Licht beeinflusst aber auch eine Reihe anderer pflanzlicher Prozesse. Jeder Prozess kann mit einem Photorezeptor verknüpft werden, der auf einen bestimmten Wellenlängenbereich reagiert. Kryptochrome beispielsweise erfassen blaues und UVA-Licht und sind für Phototropismus und Photomorphogenese verantwortlich, während Photorezeptoren, die Phytochrome genannt werden, dunkelrotes Licht erkennen. Phytochrome sind anders als kryptochrome Blaulichtrezeptoren, denn das Phytochrom-System ist von Natur aus auf das Zusammenspiel zweier Wellenlängen angewiesen.

Das System besteht aus zwei Formen von Phytochromen, die sich in ihren absorbierten Wellenlängen unterscheiden: Pr (Phytochromrot) hat ein Absorptionsmaximum bei 660 nm und Pfr (Phytochromdunkelrot; engl: Phytochrom far red) ein Absorptionsmaximum bei 730 nm. Interessanterweise können Pr und Pfr jedoch ihre Molekularstruktur abhängig vom Verhältnis von roten und dunkelroten Wellenlängen reversibel miteinander umwandeln. Pfr-Photorezeptoren gelten als die aktive Form, die in Gegenwart von rotem Licht mit 660 nm aus der Pr-Form umgewandelt wird. Pfr ist physiologisch aktiv und löst biologische Reaktionen aus, ist aber instabil. Das heißt, bei vermindertem oder fehlendem Licht von 660 nm kehrt es in die Pr-Form zurück. Die Pfr-Form wird auch in Gegenwart von dunkelrotem Licht mit 730 nm in die inaktive Pr-Form umgewandelt. Daher beeinflusst das Verhältnis (Lichtqualität) neben der Belichtungszeit (Photoperiodismus) und der Gesamtmenge (Lichtintensität) von roten und dunkelroten Wellenlängen, denen eine Pflanze ausgesetzt ist, das Phytochrom-System. Unterschiedliche Verhältnisse von Rot-/Dunkelrot-Wellenlängen können biologische Signalwege auslösen, die die gewünschten Eigenschaften von Pflanzen signifikant beeinflussen können.

Die morphologische Reaktion

Das Phytochromsystem steuert eine Vielzahl molekularer Prozesse, die eine Reihe von morphologischen Veränderungen bewirken, die es den Pflanzen ermöglichen, sich an ihre Lichtumgebung anzupassen. Diese Reaktionen auf rotes und dunkelrotes Licht entwickelten sich als Reaktionen auf die Umwelt und stellen in einigen Fällen Überlebensmethoden dar. Genauer gesagt, das Schattenfluchtsystem für den Fall, dass eine Pflanze nicht genügend Licht erhält. Dies kann entweder durch ein festes Objekt (welches das gesamte Licht verdeckt) oder durch andere Pflanzen (die einige Wellenlängen des Lichts weitergeben) verursacht werden. Ein weiterer Punkt ist die Veränderung des Tages- und Jahreslichts, was Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen und der Reaktion der Pflanze auf diese Bedingungen entspricht.