Forschende haben das photosynthetische Potenzial auf der Blattunterseite aufgezeigt: Netto-Photosynthese um 32 % erhöht, Ertrag um das 2,8‑fache gesteigert – und dabei noch 30 % weniger Strom verbraucht.

Das Team für intelligente Gartenbaugeräte am Institut für Stadtlandwirtschaft der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften hat im Fachjournal Environmental and Experimental Botany eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Abaxiale Blattbeleuchtung: Eine Strategie zur Steigerung der Photosynthese und des Ertrags bei Erdbeeren (Fragaria × ananassa)“ veröffentlicht. Die Studie beleuchtet das potenzielle photosynthetische Potenzial der Blattunterseite und stellt eine neue, hocheffiziente LED‑Beleuchtungsstrategie vor, die in geschützten Anbauumgebungen die Effizienz der Lichtnutzung und die Produktionsleistung von Kulturpflanzen erhöht. Damit liefert sie eine neue theoretische Grundlage sowie einen technischen Ansatz für die präzise Regelung des Lichtumfelds in Gewächshäusern und LED‑Pflanzenfabriken.

Hintergrund der Studie

Im Bereich der geschützten Landwirtschaft stützt sich die künstliche Beleuchtung in Pflanzenfabriken überwiegend auf LED‑Kunstlichtquellen. Die derzeit gängigen Beleuchtungsstrategien richten sich jedoch ausschließlich auf die Blattoberseite; das photosynthetische Potenzial der Blattunterseite bleibt ungenutzt, was langfristig zu einer ineffizienten Ausnutzung dieses Potenzials führt. Unter dem doppelten Einfluss dichter Bestockung und Schattenbildung durch die Kronenschicht befinden sich die unteren Blätter und ihre Unterseiten häufig in einem Zustand schwacher Beleuchtung. Dieses Problem schränkt die Effizienz der Lichtnutzung innerhalb der Pflanzengemeinschaft erheblich ein und stellt eine entscheidende Hürde für weitere Ertragssteigerungen dar.

Daher ist die Erschließung des photosynthetischen Potenzials der Blattunterseite sowie die Optimierung und Weiterentwicklung innovativer LED‑Beleuchtungskonzepte zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt geworden, um die Lichtnutzungseffizienz in geschützten Kulturen zu erhöhen und die Gesamtproduktivität zu steigern.

Um diesem Problem zu begegnen, verglich das Forschungsteam im Hinblick auf den Bedarf an energieeffizienter und hocheffizienter LED‑Beleuchtung in geschützten Anbauverfahren systematisch die Auswirkungen unterschiedlicher Lichtintensitäten auf die Blattober- und -unterseite hinsichtlich der photosynthetischen Physiologie, der Stomata‑Entwicklung sowie des Ertrags der Pflanzen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Bewertung des photosynthetischen Potenzials des Schwammgewebes auf der Blattunterseite und seines Beitrags zur gesamten photosynthetischen Produktivität der Pflanzengemeinschaft.

Abb.: Auswirkungen unterschiedlicher Beleuchtungsrichtungen und Lichtintensitäten auf die photosynthetische Leistung der Blätter sowie auf den Ertrag der Pflanzen

Inhalt der Studie

Das Forschungsteam wählte die typische Beerenfrucht Erdbeere als Versuchsobjekt und führte unter suboptimalen Lichtbedingungen Beleuchtungsexperimente mit unterschiedlichen Intensitäten sowohl auf der Blattoberseite als auch auf der Blattunterseite durch. Mithilfe komplexer Analysemethoden wie der Messung des gasförmigen Stoffaustauschs, der Chlorophyllfluoreszenz sowie der Berechnung der Mesophyllleitfähigkeit untersuchte das Team umfassend die regulierende Wirkung einer Beleuchtung der Blattunterseite auf die Photosyntheseleistung der Erdbeere.

Anhand der Beobachtung der Struktur und Morphologie der Stomata, des Gehalts an photosynthetischen Pigmenten sowie der Verteilung der Biomasse wurden die zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen aufgedeckt, durch die verschiedene Beleuchtungsmuster das Wachstum und die Entwicklung der Erdbeere beeinflussen. Zugleich wurde mithilfe einer umfassenden Bewertung von Fruchtmenge und -qualität die optimale Intensität der Beleuchtung der Blattunterseite ermittelt, die sowohl den Ertrag als auch die Qualität der Erdbeeren wirksam steigert.

Zudem nutzte die Studie eine Korrelationsanalyse nach Pearson, um ein Modell zur Verknüpfung zwischen Erdbeerertrag sowie photosynthetischen und phänotypischen Indikatoren zu entwickeln und quantitativ darzustellen, wie die durch die Beleuchtung der Blattunterseite erreichte Steigerung der Photosyntheseeffizienz zur Ertragsakkumulation beiträgt.

Ergebnisse und Bedeutung der Studie

Die Untersuchung bestätigte, dass eine mittlere LED‑Beleuchtung der Blattunterseite die photochemische Effizienz der Blätter, die Funktion des Gasaustauschs sowie die Struktur der Stomata signifikant verbessert, wodurch die Kohlenstoffassimilation der Pflanze gestärkt und die Biomassebildung gefördert wird. Den Daten zufolge konnte im Vergleich zur unbeleuchteten Kontrollgruppe die Netto‑Photosyntheserate der Blätter um 32 % erhöht werden, während der Erdbeerertrag um etwa das 2,8‑fache zunahm; gleichzeitig stiegen der Gehalt an löslichem Zucker und löslichem Protein in den Früchten deutlich an, und die Reifezeit der Früchte konnte um 5 bis 7 Tage vorgezogen werden.

Im Vergleich dazu erfordert eine hochintensive Beleuchtung der Blattoberseite zur Erzielung eines ähnlichen Ertragsanstiegs deutlich mehr Energie, während die Beleuchtung der Blattunterseite mit geringerer Lichtintensität auskommt; der Photonenfluss lässt sich um 30 % reduzieren, die Lichtnutzungseffizienz ist höher, und der Energieeinsparungsvorteil ist besonders ausgeprägt.

Diese Studie basiert auf den zweiflächenhaften photosynthetischen Eigenschaften der Blätter und entwickelt ein innovatives LED‑Beleuchtungskonzept für den geschützten Anbau. Sie bricht mit der traditionellen Praxis, nur die Blattoberseite zu beleuchten, eröffnet nicht nur neue Wege für die Beleuchtung in geschützten Anbauverfahren und die LED‑Beleuchtung in Pflanzenfabriken, sondern trägt auch wesentlich dazu bei, die Lichtnutzungseffizienz in künstlich beleuchteten Pflanzenproduktionssystemen zu erhöhen, den Energieverbrauch zu senken und die Produktion pro Flächeneinheit zu steigern.

Die Studie wurde vom Innovationsprogramm der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften sowie vom Naturwissenschaftsfonds der Provinz Sichuan unterstützt.

Originalartikel:

https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2026.106345

Quelle: Institut für Stadtlandwirtschaft der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften, Innovationsgruppe für intelligente Gartenbaugeräte