Poster Konzeptionelle LED Pflanzenbelichtung

Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung
Konzeptionelle LED Pflanzenbelichtung
Dr. Peter Doleschel, Rudolf Rinder, Maximilian Neumair
Einleitung
• Licht ist Leben, Wachstum und Freude. Pflanzenbelichtung kostet aber auch Energie, deshalb wird sie in
der Regel als Ergänzung zum natürlichen Tageslicht eingesetzt, meist um bestimmte Tageslängen oder
Lichtsummen zu erreichen. Bislang werden dabei vor allem Natriumdampf-Hochdrucklampen verwendet,
die ursprünglich für die Straßenbeleuchtung entwickelt wurden. Das menschlichen Auge empfindet ihr
Spektrum als sehr hell, da Licht vor allem im mittleren Wellenlängenbereich zwischen 550 und 650 nm
(gelb und hellrot) abgegeben wird und die Empfindlichkeit des menschlichen Auges in diesem Bereich am
höchsten ist.
• Pflanzen stellen jedoch andere Anforderungen an die Lichtqualität und nutzten Licht in einem wesentlich
größeren Wellenlängenbereich für die Photosynthese (PAR = photosynthetic active radiation = 400-700
Wirkungen der Wellenlängenbereiche
(400-500 nm)
• Grün
Wirkt den Effekten von blauem Licht entgegen, indem Cryptochrome und Phototropine in die inaktive Form umgewandelt werden.
Führt zu längeren Internodien sowie höheren Blatttemperaturen durch
teilweise Schließung der Stomata (Zeaxanthin).
(500-600 nm)
• Rot
Wird vor allem vom Phytochromsystem registriert. Die inaktive Form
von Phytochrom wird als Pr bezeichnet und hat ein Absorptionsmaximum bei 660 nm. Bestrahlung im roten Wellenlängenbereich führt
zur Umwandlung von Pr in die physiologisch aktive Form Pfr. Letztere
wandelt sich, entweder bei Dunkelheit (langsame Reaktion) oder durch
Bestrahlung im dunkelroten Wellenlängenbereich (schnellere Reaktion),
wieder zurück in Pr (= Photoreversibilität). Das Absorptionsmaximum
von Pfr liegt dabei bei 730 nm. Rotes Licht im Bereich von 600-700
nm verhindert Streckungswachstum des Hypokotyls und führt zu
kompaktem Wuchs mit kurzen Internodien.
(600-700 nm)
• Dunkelrot
Wirkt den Effekten von rotem Licht entgegen indem die Pfr Form des
Phytochroms wieder zurück in die inaktive Pr Form umgewandelt wird
(siehe oben). Pflanzen reagieren mit sogenannten „shade avoidence
symptoms“ (= verlängerte Blattstiele, lange Internodien, verstärktes
Streckungswachstum, vorzeitige Blüte).
(700-800 nm)
• Rot/Dunkelrot
• Blau/Grün
Verhältnis
Wirkt sich auf das Verhältnis von inaktivem Phytochrom Pr und aktivem
Phytochrom Pfr aus (siehe oben). In direktem Sonnenlicht herrscht ein
Rot/Dunkelrot Verhältnis von ca. 1,2. Unter dichtem Blätterdach
hingegen, bedingt durch die Beschattung durch andere Pflanzen, sinkt
das Verhältnis auf bis zu 0,1. Bei Bestrahlung mit hohem Rot/Dunkelrot
Verhältnis überwiegen daher die Reaktionen auf Rotes Licht (kurze
Internodien, kompakter Wuchs). Umgekehrt führt ein niedriges
Rot/Dunkelrot Verhältnis des Lichts zu den oben beschriebenen „shade
avoidance symptoms“.
44 %
29 %
8%
Blau/Grün(420-490)/(500-570):
0,48
Rot/Dunkelrot(620-680)/(700-750):
2,80
PPFD pro Watt [(µmol m-2 s-1)/Watt]:
standard
Öffnung der Stomata (Zeaxanthin, Phototropine), dadurch effektive
Transpiration, niedrige Blatttemperatur und effiziente Photosynthese.
Phototropine sorgen, je nach Bestrahlungsstärke, für die
richtige Ausrichtung der Chloroplasten zum einfallenden Licht.
Zusammenwirken
von
Cryptochromen,
Phototropinen
und
Phytochromen verhindert Streckungswachstum und sorgt für kurze
Internodien.
11 %
0,14
LED - Valoya NS1
3%
20 %
49 %
24 %
juvenil
• Blau
7%
4%
Blau/Grün(420-490)/(500-570):
0,45
Rot/Dunkelrot(620-680)/(700-750):
6,67
PPFD pro Watt [(µmol m-2 s-1)/Watt]:
0,52
LED - Fionia FL300 grow white
4%
12 %
22 %
58 %
4%
Blau/Grün(420-490)/(500-570):
0,64
Rot/Dunkelrot(620-680)/(700-750):
vegetativ
In hohen Dosen DNS-schädigend, in kleinen Dosen verbessert
UV-Licht die Stresstoleranz, führt zu dicken Blättern und kurzen
Internodien. Photorezeptor UVR8 reagiert spezifisch auf UV-B (290-320
nm), weitere beteiligte Photorezeptoren sind Cryptochrome,
Phototropine und ZEITLUPE, aber auch Phytochrome absorbieren
Licht im UV-Bereich.
(<400 nm)
Verhältnis
Natriumdampf-Hochdrucklampe
23,19
PPFD pro Watt [(µmol m-2 s-1)/Watt]:
0,19
LED - Valoya AP67
3%
16 %
28 %
Da grünes Licht den Effekten von blauem Licht entgegen wirkt, gibt
das Blau/Grün Verhältnis eines Spektrums Auskunft über die zu
erwartende Intensität der Blaulichtreaktion. Ein hohes Blau/Grün
Verhältnis führt im allgemeinen zu kurzen Internodien und Blattstielen; mit
steigendem Grünanteil werden diese Pflanzenreaktionen abgeschwächt.
44 %
9%
Blau/Grün(420-490)/(500-570):
0,74
Rot/Dunkelrot(620-680)/(700-750):
4,41
PPFD pro Watt [(µmol m-2 s-1)/Watt]:
generativ
• UV
nm). Aber Licht dient nicht nur als Energiequelle zur Photosynthese, sondern über unterschiedliche
Photorezeptoren auch als Signalgeber für verschiedene physiologische Prozesse. Die spektralen
Anforderungen dieser Rezeptoren unterscheiden sich dabei zum Teil deutlich vom photosynthetisch
wirksamen Lichtspektrum. Man spricht daher auch vom photobiologisch wirksamen Spektrum (PBAR =
photobiologic active radiation = 280-800 nm).
• Durch den Einsatz von neuester Breitband-LED-Technik können unterschiedliche Photorezeptoren gezielt
angesprochen werden und so morphologische und physiologische Prozesse durch die Auswahl des
Lichtspektrums gesteuert werden. Außerdem kann das Spektrum dem Entwicklungsstand der Pflanzen
angepasst werden.
0,40
Literatur
Fazit
Vergleich der Spektren und Pflanzenreaktionen
Vergleich der Energieeffizienz
• Die beschriebenen Pflanzenreaktionen auf die einzelnen Wellenlängenbereiche besitzen
keine allgemeine Gültigkeit, da sich die beteiligten Photorezeptoren, deren Absorptionsspektren und die ausgelösten Reaktionen zwischen verschiedenen Pflanzenarten stark
unterscheiden können.
• Ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Photorezeptoren sorgt für unterschiedliche morphologische und physiologische Pflanzenreaktionen. Eine Vorhersage der
Reaktionen unterschiedlicher Pflanzenarten auf die drei eingesetzten LED-Spektren ist daher
nur sehr eingeschränkt möglich. Die Kategorisierung der Spektren in „juvenil“ (Valoya NS1),
„vegetativ“ (Fionia FL300 grow white) und „generativ“ (Valoya AP67) stellt nur eine grobe
Einordnung dar. So kann beispielsweise das Spektrum „Valoya AP 67“ trotz seines
blühfördernden Dunkelrot-Anteils durchaus auch für vegetatives Wachstum gut geeignet sein,
während das sehr hohe Rot/Dunkelrot Verhältnis der Fionia FL 300 grow white zur frühen
Induktion der Blüte bei vielen Arten ungeeignet sein dürfte.
• Die breitbandige Verteilung des Photonenflusses über einen weiten Wellenlängenbereich ist
allen drei LED Spektren gemeinsam, während Natriumdampf-Hochdrucklampen viel der
eingesetzten elektrischen Energie in hohe, aber schmalbandige Peaks im gelb bis hellroten
Wellenlängenbereich investieren.
• Zur Bewertung verschiedener Lampentypen zur Pflanzenbelichtung, ist die vielen Menschen
geläufige Einheit „Lux“ nicht geeignet, da für das Pflanzenwachstum nicht die Helligkeit einer
Lichtquelle entscheidend ist, sondern ihre Fähigkeit Energie für die Photosynthese (in Form
von Photonen) bereitzustellen. Beim Vergleich verschiedener Lampen zur Pflanzenbelichtung
greift man daher auf die photosynthetisch wirksame Photonenstromdichte im Bereich von
400-700nm (PPFD = photosynthetic photon flux density) pro Watt Lampenleistung zurück.
• Alle Messungen wurden mit einem Abstand von 150 cm zwischen Lampe und Sensor
durchgeführt, dies entspricht dem tatsächlichen Abstand zwischen Lampe und Pflanztisch
beim Einsatz im Niedrigenergiegewächshaus. Dabei erzielte die NatriumdampfHochdrucklampe mit 0,14 µmol m-2 s-1 die niedrigste Photonenausbeute pro Watt, dicht
gefolgt von Fionia FL300 grow white mit 0,15 µmol m-2 s-1. Deutlich höhere Werte bei der
Energieeffizienz erzielten die Valoya LEDs (AP67: 0,40 µmol m-2 s-1, NS1: 0,52 µmol m-2 s-1).
• Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass eine Pflanzenbelichtung mit neuesten
Breitband-LEDs den herkömmlichen
Natriumdampf-Hochdrucklampen
in punkto
Energieeffizienz überlegen sein könnte. Um dies umfassend Beurteilen zu können sind
jedoch weitere Untersuchungen hinsichtlich der Homogenität der Lichtverteilung sowie der
Größe der ausgeleuchteten Fläche notwendig.
© Maximilian Neumair, Freising, 2015
Sellaro, R., Crepy, M., Trupkin,
S. A., Karayekov, E.,
Buchovsky, A. S., Rossi, C.,
and Casal, J. J. (2010):
Cryptochrome as a sensor of
the blue/green ratio of natural
radiation in Arabidopsis. Plant
Physiology, Vol. 154, S.401409
Taiz, L., Zeiger, E., Moller, I.
M., Murphey, A., (2015): Plant
Physiology and Development,
6th Edition, Sinauer
Associates, Inc.
Valoya (2015): Light for Plant
Breeding,http://www.valoya.co
m/component/edocman/259valoya-plant-breeding-2015english/download
Valoya (2015): Lighting Guide,
http://www.valoya.com/compo
nent/edocman/257-valoyalighting-guide-2015english/download
Kontakt: [email protected], Am Gereuth 8, 85354 Freising, www.LfL.bayern.de