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Belichtungsdauer mit LED-Pflanzenlampen

Wie lange sollten Pflanzen mit LED Wachstumslampen beleuchtet werden?
Pflanzen in Hydrokultur

Viele Pflanzenzüchter stehen vor der Frage, wie lange sie ihre Pflänzchen am Tag Licht aussetzen sollten und, ob eine Dunkelphase vonnöten oder gar kontraproduktiv ist. Dabei wird als Ziel stets eine Beschleunigung des Wachstumszyklus ohne Verlust an Quantität und Qualität der Ernte vorausgesetzt.

Folgend möchten wir die Materie theoretisch betrachten. Danach ein paar praktische Beispiele vorstellen und Tipps zum Ausprobieren geben.

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Worin unterscheiden sich Lichtintensität und Beleuchtungsdauer?

Im Verlauf des Wachstumszyklus, von Anzucht, Wachstumsstadium bis hin zu Blüte- und Fruchtbildung ändert sich der Lichtbedarf der Pflanze und der Lichtsättigungspunkt verschiebt sich mit dem Größerwerden der Pflanze nach oben, d.h. sie kann mehr Licht vertragen, ohne darunter zu leiden. Dies bezieht sich aber vor allem auf die Lichtintensität und nicht auf die Beleuchtungsdauer, denn mehr Blätter können schlicht eine höhere Lichtmenge umsetzen, als weniger photosynthetisch-arbeitendes Blattwerk. Da die Chloroplasten synchron arbeiten, lässt sich eine geringe Lichtintensität nicht durch eine längere Belichtungsdauer kompensieren. Wird die Lichtintensität gesteigert, führt dies nur zu einem Photosynthesezuwachs, wenn zugleich die Nährstoffgabe und der Co2-Gehalt der Umgebungsluft gesteigert wird. Lichtintensität und Beleuchtungsdauer sollten nicht miteinander zu verwechseln.

Photosynthese_Lichtmenge

Der Lichtsättigungspunkt

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Die Abhängigkeit physiologischer Prozesse von Licht und Dunkelheit

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde zufällig auf einer Tabakplantage der Einfluss der Beleuchtungsdauer auf die Pflanzen und dadurch letztlich der Photoperiodismus entdeckt.

Photoperiodismus, zusammengesetzt aus Photo – Licht und Periode – ein zeitlicher Abschnitt, meint den Einfluss, den die Tageslänge und damit die Belichtungsdauer auf Wachstum und Entwicklung der Pflanze nimmt. Mit gedacht wird dabei auch immer die Dunkelphase. Konkret geht es um das Verhältnis der beiden und dessen Auswirkung auf Pflanzen.

Prominentestes Beispiel ist die Induktion der Blüte durch eine bestimmte Nachtlänge. Dabei werden Kurztags-, Langtagespflanzen und tagneutrale Pflanzen unterschieden. Kurztagespflanzen beginnen zu blühen, wenn die Nächte eine bestimmte länge annehmen. Langtagspflanzen, wenn die Nächte eine bestimmte Stundenzahl unterschreiten. Bei tagneutralen Pflanzen ist das Licht-Dunkelverhältnis ohne Einfluss für die Blühinduktion. Die benötigte Dunkelphase bei Kurztagespflanzen zur Blühinduktion ist nicht bei allen Pflanzen dieses Typus gleich. Bei manchen reicht auch schon nächtliches Störlicht durch Mondschein, um die Blüteinduktion doch noch zu verhindern. Manche Pflanzen brauchen kürzer werdende Tage bzw. länger werdende Nächte, um die Blüte einzuleiten. So wird zwischen Nächten im Frühjahr und im Herbst unterschieden.

Zu den Kurztagespflanzen zählen u.a. Hanf, Reis, Paprika, Bohnen, Sojabohne, Kaffee, zu den Langtagespflanzen u.a. Roggen, Weizen und Kartoffeln. Tomate und Sonnenblume sind z.B. tagneutrale Pflanzen.

Das heißt, je nach Pflanzenart kann die Induktion der Blütenbildung durch die Dauer der künstlichen Beleuchtung gezielt gesteuert werden. Dabei muss für jede Art recherchiert werden, wo der kritische Wert liegt, auf welchen die Pflanze reagiert. Eine frühe Blüteninduktion verkürzt natürlich den Vegetationszyklus der Pflanze und macht eine frühere Ernte möglich. Dennoch sollte auch der Vegetationsphase genug Raum gelassen werden, damit eine kräftige Pflanze entsteht, welche schließlich auch schwere Früchte zu tragen vermag.

Pflanzen können “sehen”

Der Photoperiodismus verdeutlicht, dass Pflanzen Licht wahrnehmen können und dies nicht nur zu Photosynthesezwecken genutzt wird. Vielmehr steuert das durch Photorezeptoren wahrgenommene Licht verschiedene Prozesse in den Zellen der Pflanze. Durch Licht bestimmter Wellenlängen werden die darauf spezialisierten Photorezeptoren angeregt und letztlich eine Genexpression gefördert oder unterdrückt.

Die Summenformel der Photosynthese + Calvin-Zyklus:

Wasser + Kohlenstoffdioxid→ Glucose + Sauerstoff + Wasser

12H2O +6 CO2 → C6H12O6 +6 O2↑ +6 H2

Der Sauerstoff wird teilweise freigesetzt, aus Glucose wird in der Zellatmung Energie gewonnen:

Glucose + Sauerstoff → Wasser + Kohlenstoffdioxid + ATP

C6H12O6 + 6O2 → 6H2O + 6CO2↑ + ATP 

So entsteht eine Menge ATP, Energie für die Pflanze. Das Kohlenstoffdioxid wird abgeatmet.

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Der biologische Rhythmus

Der biologische Rhythmus beschreibt regelmäßig wiederkehrende physiologische Vorgänge. Bei an den Tages- und Nachtzyklus angepassten Vorgängen spricht man oft von der “inneren Uhr” oder einem circadianen Rhythmus. Dabei gibt es Vorgänge, die durch äußerliche Faktoren ausgelöst werden, wie die Photosynthese, welche nur unter Lichteinfluss stattfinden kann und endogene Vorgänge die im 24-Stundentakt vom Organismus selbst eingeleitet werden.

Die durch äußere Faktoren eingeleiteten Prozesse können wichtig für die gesunde Entwicklung des Organismus sein. Bei Pflanzen, die 24-Stunden beleuchtet werden, können durch Wegfall der Dämmerungs- und Dunkelphase Vorgänge in der Pflanze unterbunden werden. Das Tageslicht dient der Pflanze als Zeitgeber. Sie nimmt durch die Cryptochrome, einem Fotorezeptor für vornehmlich blaues Licht wahr, wann Tag ist. Phytochrom hingegen nimmt wahr, wann es dämmert und somit Zeit wird zu “schlafen”. Sie regulieren daraufhin die Genexpression der Pflanze. Phytochrom scheint der Pflanzen auch mitzuteilen, wann ihr Stoffwechel in die Zellatmung umschalten muss.

In der Nacht werden im Rahmen der Zellatmung die Produkte der Photosynthese und des Calvin-Zyklus umgewandelt: Glucose und Sauerstoff zu Wasser, Kohlenstoffdioxid (CO2 ) und Adenosintriphosphat (ATP). ATP ist der Energieträger der Zelle. Wasser und CO2  werden aus der Pflanze herausgeschleust. ATP ist unerlässlich für einen Zugewinn an Biomasse, also das Wachstum der Pflanze.  Zellatmung geschieht in Pflanzen aber auch tagsüber, wird hier aber von der Photosyntheseleistung der Pflanze übertroffen, weshalb die Sauerstoffabgabe der Pflanze tagsüber die Abgabe von CO2 mengenmäßig übertrifft. Es wird also deutlich, dass die Pflanze nicht nur im Dunkeln wächst und die Photosynthese mit ihren Produkten und somit Licht für die Zellatmung unerlässlich ist. Wenn die Pflanze auch im Hellen Zellatmung betreibt, stellt sich die Frage, ob eine Dunkelphase überhaupt notwendig ist?

Wachstumsschub am frühen Morgen

Im Versuch legten Pflanzen in den frühen Morgenstunden vor Tagesanbruch am meisten Biomasse zu. In der Abenddämmerung verbinden sich drei Proteine zu einem Proteinkomplex, welcher die Expression zweier Wachstumsgene unterdrückt. Über Nacht baut sich dieser Proteinkomplex wieder ab, sodass es in den frühen Morgenstunden zu Wachstum kommt, da die Proteinbiosynthese der Wachstumsgene starten kann. Dabei wächst die Pflanze schneller als tagsüber. Die aus der Proteinbiosynthese resultierenden Proteine werden im Laufe des Tages wieder abgebaut. Ob das vermehrte Wachstum abhängig von der vorhergehende Ruhephase in Dunkelheit ist, ist noch nicht geklärt.

Fest steht, dass 70% der Chloroplastengene durch die Tageszeit reguliert werden. Das wirft wiederum die Frage auf, ob die Abschaffung eine Tages-Nachtzyklus zugunsten einer Dauerbeleuchtung sinnig ist.

Wachstumszyklus

Auch Vegetationszyklus genannt meint die aktive Entwicklungsphase einer Pflanze von der Keimung bis zur Fruchtbildung plus die oftmals darauf folgende Ruhephase. Dieser Zyklus wiederholt sich bei mehrjährigen Pflanzen. Bei einjährigen Pflanzen reicht er von Aussaat und Keimung bis zum Absterben der Pflanze.

Photosynthese

Photosynthese, auch Fotosynthese meint die Synthetisierung von Glucose aus Licht, Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dabei fällt Sauerstoff ab. Pflanzen betreiben Photosynthese, um zahlreiche physiologische Vorgänge, darunter Zellteilung zum Wachstums betreiben zu können. Neben Pflanzen verfügen noch einige Bakterien und Algen über photosynthesefähige Zellen.

Die Photosynthese ist die Grundlage des Lebens auf der Erde. Sie setzt Sauerstoff zur Atmung frei und lässt Pflanzen als Nahrungsgrundlage zahlreicher Organismen entstehen.

Photorezeptor

Ein Photorezeptor, auch Fotorezeptor ist eine lichtsensible Zelle. Sie enthält ein Chromophor, eine Struktur, deren Moleküle Licht absorbieren können und ein ihn umgebendes Protein. Durch sie kann ein Organismus Licht oder Teile davon wahrnehmen und darauf reagieren. Pflanzen verfügen über drei Klassen von Photorezeptoren, Phytochrome, Cryptochrome und Phototropine.

Phytrochrome werden durch hell- bzw. dunkelrotes Licht in ihrer Struktur geändert. Sie steuern dadurch den Rhythmus der Pflanze im Tagesverlauf. Abends, wenn die Dämmerung einsetzt und vermehrt tiefrotes Licht auf die Pflanze trifft, wird somit eine Ruhephase eingeleitet. Phytochrome sind weiter an Keimung, Wachstum, Blüteinduktion, Schattenvermeidung und Phototropismus (Bewegung gen oder weg vom Licht) beteiligt.

Cryptochrome nehmen vornehmlich blaues Licht und UV-Strahlung wahr. Mit ihrer Hilfe passt sich die Pflanze dem Tag-Nacht-Zyklus an. Sie sind weiter an Wachstum und Deetiolierung, sowie Blüteinduktion beteiligt.

Auch Phototropine absorbieren blaues Licht und UV-Strahlung. Sie sind am Phototropismus, an der Ausrichtung der Chloroplaten zum Licht (Phototaxis) und am Öffnen der Blattöffnungen (Stomata) beteiligt.

Lichtsättigungspunkt

Der Lichtsättigungspunkt bezeichnet den Punkt, ab dem eine weitere Steigerung der Lichintensität keine vermehrte Photosyntheseaktivität nach sich zieht. Wird dieser Punkt überstiegen, kann es zu sogenannten Lichtverbrennungen an der Pflanze kommen. Der Punkt variiert je nach Pflanzenart. Mithilfe vermehrter Gabe von Wasser, Nährstoffen und COkann der Punkt etwas nach oben verschoben werden, jedoch nicht beliebig weit.

Genexpression

Als Genexpression wird die Umsetzung der im Erbmaterial codierten Eigenschaften und Prozesse bezeichnet. Dabei wird die DNA abgelesen und es entsteht RNA als spielegbildliche Kopie der am DNA-starng befindlichen Nukleinbasen. Die RNA wird aus dem Zellkern befördert und mithilfe von Ribosomen werden aus den codierten Abschnitten Proteine synthetisiert. Dieser Vorgang wird auch Proteinbiosynthese genannt.

Licht kann die Genexpression bei Pflanzen verhindern oder auslösen. Das Licht tritt in einen Photorezeptor und wird dort in ein chemisches Signal umgewandelt, welches über Signaltransduktionsketten die Genexpression auslöst oder stoppt.

Protein

Protein sind Eiweiße. Sie bestehen aus Aminosäuren, welche durch Peptidbindungen aneinander gebunden sind. Sie übernehmen wichtige Aufgaben im Körper. Die von der Zelle benötigten Proteine werden durch Proteinbiosynthese hergestellt.

Adenosintriphosphat (ATP)

ATP ist der Energieträger der Zelle und damit im lebenden Organismus unerlässlich. Es stellt das Endprodukt der Zellatmung dar. Es besteht aus einer Base, dem Adeninrest, einem Zucker, Ribose und drei Phosphatgruppen.  Es ist an der Muskelkontraktion, der Synthetisierung von Molekülen, dem Transport von Molekülen durch Biomembran beteiligt, außerdem dient es als Signalmolekül.

circadian

circadian kommt aus dem Lateinischen von circa -um, herum und dies -Tag. Es wird meist im Zusammenhang mit dem Circadianen Rhythmus gebraucht, was die Annäherung physiologischer Prozesse von Organismen an den 24-Stunden-Rhythmus meint.

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Speedbreeding

In Australien wurde in einem wissenschaftlichen Projekt das Speedbreeding entwickelt. Dabei wurde Weizen mit einer Dauern von 22 Std./Tag beleuchtet. Auch die Lichtintensität wurde gesteigert und zusätzliche Nährstoffe, sowie CO2 gegeben.  Das Team um Dr. Lee Hickney konnte so die Zeit, bis der Weizen erntereif war halbieren. Mit nur zwei Stunden Dunkelphase war diese stark verkürzt, was zeigt, dass Pflanzen nicht zwangsläufig den von der Natur vorgegebenen Rhythmus brauchen, um schnell und gesund zu wachsen. Auch für Raps, Hirse, Erdnüsse und Erbsen konnte ein stark beschleunigtes Wachstum erreicht werden.

Es scheint, dass eine Manipulation der Umweltbedingungen von Vorteil für mehr Ertrag pro Zeiteinheit sein kann.

Erfahrung aus der Praxis

Kann eine weitere Verkürzung der Dunkelphase oder gar deren Auslassung ein noch schnelleres Wachstum provozieren? In einschlägigen Internetforen wird von positiven Erfahrungen mit Dauerbeleuchtung v.a. im Vegetationsstadium berichtet. Um das Blütestadium einzuleiten, bedarf es bei Kurztagespflanzen einer Dunkelperiode gewisser Dauer. Bei Cannabis sind dies mehr als 12 Stunden/Tag. Wird diese Dauer nach Einleitung der Blüte wieder unterschritten, kann sich die Pflanze wieder zurück entwickeln, ebenso durch Störlicht in der Dunkelphase. Dieses Strölicht muss in der Frequenz dem Phytochromwikungsspektrum entsprechen, um wirksam zu sein.

Während des Blütestadium ist also eine Dunkelphase unerlässlich. Der Klassiker unter Growern ist eine Verteilung von 16 Stunden Licht zu 8 Stunden Dunkelphase. Das spart im Vergleich mit einer 24-Stunden Dauerbeleuchtung Stromkosten

Dient die Pflanzenlampe als ergänzendes Licht zur Überwinterung, kann sie auch nur tageslichtverlängernd eingesetzt werden, um die Pflanze im Vegetationszyklus zu halten. Ebenso als ganztägige Zusatzbeleuchtung zum winterlich-schwachen Tageslicht. Ansonsten ginge die Pflanze in die Ruhephase über, einjährige Pflanzen stürben. Zu beachten gilt, dass dann auch weiterhin regelmäßig gegossen wird und die Pflanze an einem warmen Ort steht, so kann sie weiter Photosynthese betreiben. Zur alleinigen Beleuchtung empfehlenswerte LED Pflanzenlampen finden Sie in unserem Test.

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Unsere Empfehlung

Wie man sieht, gibt es gute Argumente für und gegen eine Dauerbeleuchtung der Pflanzen durch LED-Pflanzenlicht. Die Physiologie legt nahe, dass eine Orientierung am naturgegebenen Licht-Dunkel-Zyklus sinnvoll ist. Die Forschung hingegen zeigt, dass eine Verlängerung der Lichtperiode Vorteile mit sich bringt. Eine Dauerbeleuchtung wird unseres Wissens nirgends explizit empfohlen. Es ist sehr fraglich, ob sich die höheren Stromkosten einer 24-Stunden-Beleuchtung durch ein besseres Ernteergebnis rechtfertigen bzw. ausgleichen ließen. Daher empfehlen wir eine Verlängerung der Beleuchtungsdauer über 16 Stunden nur für gewerblichen Anbau. Dabei muss die Pflanzenart und deren Eigenheiten im Blick behalten werden.

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LED-Pflanzenlampe Greenception GC-9 Test
  • optimale Form für Growboxen
  • Spektrum mit nahem UV und Far-Red
  • gutes Preis-Leistungsverhältnis
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Quellenverzeichnis

Axel Brennicke,Peter Schopfer (2010): Pflanzenphysiologie. Berlin, Springer.

(online: https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-662-49880-4, zuletzt aufgerufen am 22.1.2019) 

Spektrum.de. Lexikon der Biologie

https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/photoperiodismus/51347 (zuletzt aufgerufen am 22.1.2019)

Wikipedia

https://de.wikipedia.org/wiki/Photoperiodismus (zuletzt aufgerufen am 22.1.2019)

pflanzenforschung.de

https://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=5664 (zuletzt aufgerufen am 22.1.2019)

Speedbreeding

https://www.doriane.com/en/article/speed-breeding-techniques (zuletzt aufgerufen am 22.1.2019)