Entwicklung von LED-Belichtungsstrategien für den Gartenbau
Licht an!

Stromsparende LED-Belichtung kann nicht nur zur Ertragssteigerung eingesetzt werden. Mit ihr können auch Pflanzenreaktionen gezielt gesteuert und alternative Kulturmethoden entwickelt werden, um zur Einsparung von Ressourcen und Pflanzenschutzmitteln beizutragen. Dabei spielt die spektrale Zusammensetzung der Belichtung eine zentrale Rolle. Das Potenzial von LED-Belichtungssystemen für verschiedenste Kulturen und Kulturabschnitte sowie für unterschiedliche Zielgruppen wurde innerhalb eines Forschungsprojekts an der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG) untersucht.
Die Pflanzenbilder sind mit dunkel und hellaubigen Pflanzen in Reihe an einer Wand aufgehängt
Licht an! - das Wichtigste auf einen Blick
Die nachhaltige Pflanzenproduktion rückt immer stärker in den gesellschaftlichen Fokus. Hierbei wird neben der Einsparung von Energie, Wasser, Grundfläche und Pflanzenschutzmitteln inkl. Hemmstoffe auch eine regionale Produktion verstanden. Gleichzeitig sollen die Produkte von hoher Qualität und ganzjährig verfügbar sein. Diese Kriterien sind manchmal nicht unbedingt miteinander vereinbar. Im Gewächshausanbau werden Krankheiten und Schädlinge durch Pestizide sowie das Wachstum von Zierpflanzen nicht selten durch chemische Wachstumsregulatoren kontrolliert. Zudem können die Anzucht von Vermehrungskulturen und die Produktion von Kräutern sowie Fruchtgemüse und Beeren (z. B. Tomaten, Erdbeeren) unter lokalen Bedingungen im Winter, aufgrund hoher Licht- und Temperaturanforderungen, sehr energieintensiv sein. Energiesparende LEDs bieten Möglichkeiten gezielt auf Pflanzenreaktionen einzuwirken sowie alternative Anzuchtsysteme und Kulturmethoden für den Erwerbs- und Freizeitgärtner zu entwickeln.

Eigenschaften und Funktion von Licht für Pflanzen

Licht für Pflanzen zeichnet sich durch drei Merkmale aus – Lichtmenge, Lichtqualität und Lichtdauer. Die Lichtmenge kann dabei mit der Energie gleichgesetzt werden, mit der Pflanzen Fotosynthese für ihren Stoffwechsel und die Biomasseproduktion betreiben. Die Lichtqualität wird durch die spektrale Zusammensetzung des Lichts charakterisiert. Die Zusammensetzung des Lichtspektrums dient den Pflanzen als Umweltsignal, das sie mit Fotorezeptoren erfassen. Reaktionen sind z. B. die Triebstreckung bei Beschattung (oder auch Vergeilung) oder die Ausrichtung der Sprossachse zum Licht hin. Die Dauer der Belichtung und die Frequenz von hellen sowie dunklen Zeitabschnitten definiert die Fotoperiode. Dies induziert bei Lang- und Kurztagpflanzen die Blütenbildung oder signalisiert den Wechsel von Jahreszeiten. All diese Merkmale des Lichts können miteinander interagieren, um das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen zu steuern.

LEDs können Pflanzenreaktionen steuern

Die verschiedenen pflanzlichen Fotorezeptoren können als Schalter angesehen werden, die Stoffwechselprozesse aktivieren bzw. deaktivieren und so zugehörigen Reaktionen induzieren. Die unterschiedlichen Fotorezeptoren besitzen spezifische Absorptionsmuster und werden so durch Licht bestimmter Spektralbereiche angesprochen. So reagiert der Fotorezeptor Phytochrom auf rotes bzw. fernrotes Licht und steuert das Streckungswachstum. Fototropin oder Chryptochrom sind Blaulichtrezeptoren, die z. B. das Richtungswachstum oder den Gehalt von Inhaltsstoffen beeinflussen können.
Mit LEDs können die Fotorezeptoren gezielt angeregt werden, da sie im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen, wie den Natriumdampfhochdrucklampen, Licht in sehr schmalen Wellenlängenbereichen emittieren. Die Herausforderung ist Lichtspektren aus verschiedenfarbigen LEDs zusammenzustellen, die an Pflanzenkulturen und/oder Kulturabschnitte angepasst sind, da verschiedene Pflanzenarten und sogar Sorten ganz unterschiedlich auf dasselbe Lichtspektrum reagieren können. Im Folgenden werden Ihnen Ergebnisse aus der Versuchstätigkeit der LWG vorgestellt.
Einfluss von blauer LED auf Mandevilla und Anemone coronaria. (A) Hybridbelichtung aus Natriumdampfhochdrucklampen (HPS) und blauer LED-Belichtung bei Mandevilla. (B) Wachstum von Mandevilla in verschiedenen Versuchsvarianten. Pflanzen in der Hybridvariante aus HPS und blauen LEDs bilden zwar moderate Ranken, mussten aber im Vergleich zur Hemmstoffvariante nicht mehrfach gestutzt werden, um ein verknoten der Pflanzen zu vermeiden. (C) Anemone coronaria im Gewächshaus unter roter und blauer LED-Belichtung. (D) Blaue LED-Belichtung (links) führt zu deutlich kürzeren Blatt und Blütenstielen als rote LED-Belichtung (rechts).
Im Mehrlagensystem lassen sich die unterschiedlichsten Pflanzenkulturen in verschiedensten Kulturabschnitten kultivieren. Das Lichtspektrum beeinflusst das Wachstum verschiedenster Pflanzenteile. (A) Im Vordergrund Mandevilla und dahinter Strauchbasilikum. (B) Das Streckungswachstum von Mandevilla (oben) und Strauchbasilikum (unten) reagiert deutlich unterschiedlich auf die gleichen Lichtspektren. (C) Im Mehrlagensystem kann die Wurzelqualität von Stecklingen mit geeigneten LED-Lichtspektren im Vergleich zum Gewächshaus mit Natriumdampfhochdrucklampe (HPS) verbessert werden. (D) Topfbasilikum wächst im Mehrlagensystem innerhalb von drei bis vier Wochen zur Verkaufsreife.
Tomaten und Paprika auf der Fensterbank und in verschiedenen LED-Belichtungssystemen für den Freizeitgärtner. Alle getesteten Systeme eignen sich für die Pflanzenanzucht.
Literatur zum Artikel "Licht an!" in Schule und Beratung 9-10/2020
(1) Runkle, E., Spectral Manipulations To Elicit Desired Plant Quality Attributes. Vertifarm Conference, Wagening. Vortrag (2019)
(2) Huché-Thélier, L. et al. Light signaling and plant responses to blue and UV radiations-Perspectives for applications in horticulture. Environ. Exp. Bot. 121, 22–38 (2016).
(3) Demotes-Mainard, S. et al. Plant responses to red and far-red lights, applications in horticulture. Environ. Exp. Bot. 121, 4–21 (2016).
(4) Banerjee, R., et al. The signaling state of Arabidopsis cryptochrome 2 contains flavin semiquinone. J Biol Chem, 282 (20), 14916-14922 (2007).
(5) ChristieJ. M., et al. Flavoprotein Photoreceptors. Plant Cell Physiol. 56(3), 401-413 (2015).
(6) Mancinelli, A.L. The physiology of phytochrome action. In Photomorphogenesis in plants, 2nd edition. R.E. Kendrick and G.H.M. Kronenberg, eds. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, pp. 211-269 (1994)
(7) Seidel, H., et al. Bei der Mandevilla-Topfkultur können LED-Belichtungsstrategien die Rankenbildung ähnlich wie Hemmstoffbehandlungen und Stutzen vermeiden. Versuchsberichte Zierpflanzenbau 2019 - Jahrgangsband Versuche im deutschen Gartenbau (2020)
(8) Seidel, H., et al. Blaue LED-Belichtung führt bei Anemone coronaria als Topfpflanze zu einem kompakten Wuchs und erhöht die Qualität der Blütenstiele. Versuchsberichte Zierpflanzenbau 2018 - Jahrgangsband Versuche im deutschen Gartenbau (2019)