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Photomorphogenese, Geschwister der Photosynthese

von | Nov 1, 2023 | blogs, Lichter wachsen lassen | 0 Kommentare

Einführung

Die Photosynthese steht oft im Mittelpunkt, wenn es um Pflanzen und Licht geht, aber es steckt mehr dahinter. In diesem Artikel laden wir Sie ein, die weniger bekannte Hälfte der Erzählung zu erkunden – die Photomorphogenese – „Photo“ steht für Licht und „Morphogenese“ für Veränderung und Wachstum.

In einem früheren Artikel(hier) haben wir uns mit den Grundlagen der Photosynthese befasst und erörtert, wie Pflanzen die Lichtenergie nutzen, um Zucker für den weiteren Stoffwechsel, z. B. für das Wachstum, zu erzeugen.

Doch was setzt dieses Wachstum in Gang? Die Antwort liegt in einer anderen Facette des Einflusses von Licht: Die Photomorphogenese. Wir geben Ihnen einen Überblick aus der Vogelperspektive mit genügend Details, um das Was, Wo, Wie und Warum der Photomorphogenese zu verstehen.

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Abb. 1 Foto von Paul Green auf Unsplash

Warum Pflanzen wachsen und sich verändern müssen

Pflanzenwachstum oder morphologische Veränderungen sind für das Überleben unerlässlich. Dafür gibt es vor allem zwei Gründe:

  • Überleben: Pflanzen müssen wachsen und sich ausdehnen, um das lebenswichtige Licht für die Photosynthese einzufangen, die die Produktion des für ihre Existenz notwendigen Zuckers ermöglicht.
  • Fortpflanzung: Blüte und Fruchtbildung sichern das Überleben der Pflanzenart, ein Prozess, der eng mit der Verfügbarkeit von Licht verbunden ist.

Diese beiden Grundbedürfnisse hängen von der Rolle des Lichts als kritischem Faktor ab.

 

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Abb. 2 Foto von Josie Weiss auf Unsplash

Der Photorezeptor – Empfang von Licht für Wachstum

Pflanzenzellen besitzen ein einzigartiges Molekül, den so genannten Photorezeptor, der für den Empfang von Lichtenergie verantwortlich ist, die Wachstum und morphologische Veränderungen in Gang setzt. Sehen wir uns die drei Haupttypen von Fotorezeptoren an:

  • Phytochrome: Diese Photorezeptoren lösen die jahreszeitlichen Übergänge der Pflanzen aus und beeinflussen die Keimung der Samen, das Wachstum, die Blüte und die Fruchtbildung.
  • Kryptochrome: Diese Photorezeptoren sind für die Wachstumsregulierung zuständig und sorgen dafür, dass sich die Pflanzen nicht übermäßig ausbreiten und eine effiziente Überlebensform beibehalten.
  • Phototropine: Diese Photorezeptoren lenken das Wachstum der Pflanzenstängel auf verfügbare Lichtquellen.

Abbildung 3 (Albert Melu auf Unsplash)

Wo befinden sich diese Photorezeptoren?

Um dies besser zu verstehen, sollten wir die Lage der Photorezeptoren genau bestimmen. Sie sind in allen Pflanzenzellen verstreut und bewohnen das Zellzytoplasma, die Räume innerhalb der Zelle.

Abb. 4 – Photorezeptoren befinden sich im Zytoplasma der Zelle.

(linkes Pflanzenbild von Albert Melu, mittleres Pflanzenzellbild von Kristian Peters)

Wie Pflanzen saisonale Veränderungen wahrnehmen – Die Rolle der Phytochrome

Wenn sich die Jahreszeiten ändern, werden Sie feststellen, dass das Leben in der Stadt wieder auflebt, vor allem zwischen Winter und Frühling. Samen keimen, Sprossen entstehen, Stängel wachsen, Blätter entfalten sich, und reife Pflanzen blühen und tragen Früchte. Aber wie synchronisieren die Pflanzen ihr Verhalten mit den Jahreszeiten? Die Antwort liegt in den Phytochromen.

Das Phytochrom-Molekül

Phytochrome sind einfach Moleküle, Gruppen von Atomen, die zu einer 3D-Molekularstruktur zusammengesetzt sind. Sie existieren in zwei Zuständen: Pr und Pfr. Bei der Bestrahlung mit rotem Licht (620-750 nm) geht ein Phytochrom von einem Pr-Zustand in einen Pfr-Zustand über. Wenn ein Phytochrom im Pfr-Zustand fernrotes Licht (700-800nm) absorbiert, kehrt es in seinen Pr-Zustand zurück.

Wie Phytochrom die Jahreszeiten wahrnimmt.

Bei Tageslicht ist mehr rotes Licht vorhanden, was die Umwandlung von Pr in Pfr bewirkt. Bei Einbruch der Dunkelheit zerfallen die Pfr-Phytochrome auf natürliche Weise wieder in Pr. Folglich schwankt das Verhältnis von Pr zu Pfr während eines 24-Stunden-Tages und kehrt nach Einbruch der Dunkelheit ins Gleichgewicht zurück.

Im Frühjahr und Sommer jedoch führen die längeren Tageslichtstunden zu einem niedrigeren Pr-zu-Pfr-Verhältnis, das über mehrere Tage anhält und einen Schwellenwert erreicht, der die Photomorphogenese auslöst.

In den Wintermonaten, wenn die Tage kürzer sind, gibt es weniger rotes Licht, und das Verhältnis von Pr zu Pfr steigt, was die Photomorphogenese hemmt.

Dieses Verhältnis wird in der Regel als Prozentsatz angegeben (Abb. 6), wir bezeichnen es jedoch als das Verhältnis von Pr zu Pfr.

Einen weiteren Artikel über PSS (Phytochrome Photostationary state) finden Sie hier.

Phytochrom-Molekül
Phytochrome, Pr und Pfr molekular

Abb. 5 – Phytochrom ist ein Molekül, das nach der Absorption von Licht seine Form verändert.

Phytochrom PSS Berechnung

Abbildung 6 – Der Zustand des Phytochroms basiert auf einem prozentualen Verhältnis seiner beiden Formen

Stammeswachstum ist Zellteilung

Die Verlängerung des Stängels, das Wachstum der Blätter, die Blüte und die Entwicklung der Früchte erfolgen durch Zellteilung, die letztlich durch das genetische DNA-Material im Zellkern der Pflanzenzelle gesteuert wird.

Der Zellkern empfängt routinemäßig Hinweise aus der Umwelt und Signalereignisse (z. B. Phytochromaktivität), um festzustellen, ob eine Aktion, wie z. B. eine Zellteilung, erforderlich ist. Wenn er spürt, dass die Bedingungen für eine Zellteilung reif sind, löst der Zellkern den„Zellzyklus“ aus, d. h. den Prozess der Zellteilung.

Neben dem Phytochrom-Zustand müssen auch andere Umweltbedingungen erfüllt sein, bevor die Zellteilung stattfindet:

  • Temperatur
  • Luftfeuchtigkeit
  • Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit
  • Hormonelle Aktivität (ja, auch Pflanzen haben Hormone)
  • Enzymaktivität (im Zusammenhang mit der hormonellen Aktivität)
  • Zusammenspiel mit anderen Photorezeptoren

Das bedeutet, dass die Phytochromaktivität zwar die Zellteilung begünstigt, aber die Photomorphogenese nicht auslöst, weil es zum Beispiel extrem kalt ist. Es handelt sich um einen hochgradig orchestrierten und streng kontrollierten Prozess.

Abb. 7 – Der Zellkern der Pflanzenzelle steuert alle Funktionen der Zellteilung.

Abbildung 8 – Das 4. Stadium des Zellzyklus ist die Zellteilung (Mitose) – von Ali Zifan (wikipedia-CCBY-SA 4.0)

Phytochrome und keimende Samen

Abb. 9 – Vom Saatgut zum Keimling

Von der Saat zur Keimung

Die Samen reagieren auf jahreszeitlich bedingte Lichtveränderungen – bei hellem Sonnenlicht und langen Tagen gibt es viel rotes Licht, das Pr/Pfr-Verhältnis ist niedrig, und die Keimbedingungen sind günstig.

Oftmals fallen die Samen jedoch in schattige Bereiche unter dem Blätterdach, wo das rote Licht weniger und das ferne rote Licht mehr ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Blätter des Kronendachs rotes Licht absorbieren, aber fernrotes Licht durch das Blatt hindurchlassen.

Diese Disproportion des fernroten Lichts unter dem Kronendach führt zu einem höheren Pr-Wert, was auf schlechte Lichtverhältnisse hinweist. Anstatt zu versuchen, zu keimen und nach Licht zu greifen, hemmen die Samen die Keimung. Es ist ein Überlebensmechanismus, um keine Ressourcen zu verschwenden und inaktiv zu bleiben, bis bessere Bedingungen eintreffen.

Vom Spross zur Pflanze

Wenn sich ein Keimling in eine echte Pflanze verwandelt, folgt er denselben saisonalen Mustern des Wartens auf längere Tage und mehr rotes Licht.

Befindet sich eine Pflanze in einem schattigen Bereich oder unter dem Blätterdach, nimmt sie mehr fernrotes Licht wahr (höheres Pr/Pfr), aber im Gegensatz zur Samenruhe wird die Pflanze versuchen, das Licht zu erreichen, indem sie den Stamm verlängert und die Blätter ausbreitet.

Es gibt eine zweite Art von Photorezeptoren, die Phototropine, die auf blaues und UV-A-Licht reagieren. Es wird vor allem als ein Mittel angesehen, das die Pflanze dazu bringt, sich dem Licht zuzuwenden. Sie sind meist an den Spitzen der Zweige zu finden. Phytotropine können erkennen, ob das Licht auf die eine Seite fällt und nicht auf die andere, und sich dann in Richtung des Lichts biegen.

Abbildung 10 – Unter dem Kronendach reagieren die Pflanzen bei schwachen Lichtverhältnissen mit einer Verlängerung der Stängel und einer Ausdehnung der Blätter.

Original Plant Images by Freepik

Pflanzen wissen, wann sie aufhören müssen zu wachsen: Kryptochrome

Pflanzen können nicht ewig wachsen, also gibt es einen Mechanismus, der das Wachstum hemmt.

Wenn eine Pflanze über das Blätterdach hinauswächst, treffen die Blätter auf das gesamte Spektrum des Sonnenlichts, einschließlich des blauen Lichts (400-500nm) und des UV-A-Lichts (320-400nm). In diesem Stadium kommen die Cryptochrome ins Spiel. Diese Photorezeptoren absorbieren diese Wellenlängen des Lichts, hemmen aber das Wachstum von Stängeln und Blättern.

Diese Hemmung dient einem bestimmten Zweck: Eine zu große Höhe macht die Pflanzen anfälliger für Wind und Schwerkraft und behindert die effiziente Aufnahme von Nährstoffen und Wasser. Es ist eine Überlebensanpassung, zu versuchen, kurz und kompakt zu bleiben.

Abb. 11 – Nachdem eine Pflanze das Kronendach erreicht hat, aktiviert blaues und UV-A-Licht Chryptochrome, die das Wachstum hemmen.

Original Plant Images by Freepik

Von der Pflanze zur Blüte

Der Prozess der Blüte und der Fruchtbildung ist meist derselbe. Längere Tage mit mehr Rotlicht führen zur Umwandlung von Pr in Pfr, wodurch das Verhältnis Pr/Pfr sinkt und die Blüte gefördert wird.

Einige Pflanzen werden als Langtagspflanzen eingestuft und blühen, wenn die Tage länger sind und das Pr/Pfr-Verhältnis niedriger ist. Umgekehrt blühen Kurztagspflanzen, wenn die Tage kürzer sind, und das Verhältnis Pr/Pfr bleibt höher. Das bedeutet, dass bestimmte Pflanzen, wie der Weihnachtsstern, typischerweise in den Wintermonaten blühen.

Abbildung 12 – Foto von ameenfahmy auf Unsplash

Von der Pflanze zur Frucht

Der Weg von der Pflanze zur Frucht ist bei den verschiedenen fruchttragenden Bäumen und Pflanzen unterschiedlich. Apfelbäume beispielsweise sind empfindlich gegenüber der Tageslänge und der Phytochromaktivität, die die Fruchtbildung beeinflusst.

Im Gegensatz dazu setzen tagesneutrale Pflanzen wie Zitronenbäume die Fruchtbildung in Abhängigkeit von Faktoren wie hormonelle Regulierung, Temperatur, Niederschlag und Bodenfeuchtigkeit in Gang. In milden Klimazonen können Zitronenbäume das ganze Jahr über Früchte tragen, trotz der jahreszeitlich bedingten Lichtveränderungen.

Abb. 13 – Foto von Zoe Schaeffer auf Unsplash

Beziehung zwischen Photosynthese und Photomorphogenese

Bei der Photomorphogenese gibt es eine Menge Aktivitäten, die alle Energie benötigen. Woher kommt diese Energie? Er wird aus Zucker gewonnen, der ein Nebenprodukt der Photosynthese ist.

Die Photosynthese beruht auf der Photomorphogenese, um zu wachsen und nach Licht zu greifen, damit die Blätter Licht absorbieren können, um Zucker herzustellen. Die Photomorphogenese ist auf die Photosynthese angewiesen, um die für alle ihre Aktivitäten benötigten Zucker zu liefern.

 

LED-Lichtfarbe und Ausrichtung der Photosynthese

Abbildung 14 – Photosynthese und Photomorphogenese stehen in einer symbiotischen Beziehung

Praktische Anwendungen zum Verständnis der Photomorphogenese

Hochkarätige Spezialzüchter und Forschungseinrichtungen setzen weiterhin Beleuchtungstechniken ein, um die Wachstumsstrategien der Pflanzen zu verbessern. Sie verwenden dynamische LED-Beleuchtung und spektrale PAR-Meter, um rote, fernrote und blaue Beleuchtung zu manipulieren und zu messen und nutzen die Informationen der Photomorphogenese, um die Produktqualität, die Quantität und die Aktualität ihrer Produkte zu verbessern.

LED-Lichtfarbe und Ausrichtung der Photosynthese

Abb. 15 – Spektrale PAR-Messgeräte messen das mit der Photomorphogenese verbundene Licht.

Zusammenfassung

Wir sind gerade die Grundlagen der Photomorphogenese durchgegangen, vom Licht zur Aktivierung der Phytochrome im Zytoplasma, zur Zellteilung im Zellkern und schließlich zum Wachstum und zur Veränderung der Pflanze – das ist Photomorphogenese.

Es ist jedoch zu beachten, dass die eigentlichen Lichtsignalwege, chemischen Reaktionen, hormonellen und enzymatischen Aktivitäten und die genetische Expression immer noch sehr kompliziert und komplex miteinander verflochten sind.

Außerdem ist zu beachten, dass Pflanzenarten unterschiedlich sind und ihre evolutionären Eigenheiten haben.

Aber wir hofften, den Landwirten mit einem Blick aus der Vogelperspektive auf diesen faszinierenden evolutionären Aspekt der Biomechanik der Pflanzen einen Schritt nach vorne zu bringen und sie zu neuen Lichtstrategien zu ermutigen, um die Qualität und Aktualität ihrer Produkte zu verbessern.

Abbildung 16 – Photomorphogenese

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Mit der spektralen PAR-Messung können Landwirte und Forscher die Vorteile einer fachkundigen Beleuchtung nutzen, um die Farbparameter zu optimieren und die Qualität, den Zeitpunkt und die Menge ihrer Produkte zu verbessern.

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