Phytokammer I
Final Report Abstract
Die Phänotypisierung von Pflanzen sollte unter möglichst reproduzierbaren und umweltnahen Bedingungen durchgeführt werden. Während dies für Temperatur und Luftfeuchte erfüllt ist, konnte der Parameter Lichtqualität bisher nur unzureichend simuliert bzw. eingestellt werden. Sowohl Metalldampflampen als auch Leuchtstoffröhren decken nur Teilbereiche des Lichtes im sichtbaren Bereich ab. Hinzu kommt, dass Leuchtstoffröhren altern und sich das emittierte Lichtspektrum bereits nach 12 Monaten Nutzung erheblich verändert. Mit Hilfe der hier aufgestellten Phytokammern unter Verwendung der LED-Technologie wurde dieses Problem gelöst. Durch die Kombination verschiedener LEDs ist es möglich die spektrale Zusammensetzung des Lichtes (Lichtqualität) der natürlichen Tageslichtqualität anzupassen und so zu einer verlässlichen und aussagefähigen Phänotypisierung von Pflanzen zu gelangen. Die spektralen Eigenschaften der LEDs verändern sich nicht mit der Nutzungsdauer im Gegensatz zu den am häufigsten verwendeten Leuchtstoffröhren. Zusätzlich lässt sich bei Bedarf die spektrale Zusammensetzung des Lichtes verändern, um so andere Lichtbedingungen zu simulieren. Dies erlaubt eine deutliche Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten für die Forschung, die ebenfalls mit anderen Leuchtmitteln nicht möglich ist. Die Lichtqualität (spektrale Verteilung) des von Leuchtstoffröhren erzeugten Lichtes, ist weit von einem natürlichen Spektrum, wie es draußen im Freiland vorkommt, entfernt. Dies ist in der technischen Fachliteratur der Leuchtenhersteller beschrieben dabei wird sehr deutlich, dass das von Leuchtstoffröhren produzierte Weißlicht fast ausschließlich durch drei sehr eng begrenzte Spektralbereiche bei 440 nm, 540 nm und 620 nm erzeugt wird. Daher ist die Verwendung von Leuchtmittteln, die ein tageslichtähnliches Lichtspektrum produzieren, für eine verlässliche und dem natürlichen Standort nahekommende morphologisch-physiologisch, sowie molekulare Phänotypisierung per se ein unabdingbarer wissenschaftlicher Fortschritt. Die lichtsensorischen Systeme der Pflanze, sowie die Pigmente der Photosynthese zeigen klare physiologische-molekulare Antworten auf spektrale Veränderungen. Diese Vorhersagen konnten wir in einer praktischen Studie auch nachweisen. Dabei wurden Pflanzen von Arabidopsis thaliana unter verschiedenen Lichtintensitäten und spektraler Zusammensetzung im LED Licht im Vergleich zu aus Fluoreszenzlampen phänotypisiert. Dabei haben wir verschiedene Merkmale wie Biomasse, Blattfläche oder Genexpression untersucht. Bei einer Lichtintensität von 100 µmol wurden ca. 200 Gene zwischen LED im Licht aus Leuchtstoffröhren differentiell reguliert. Werden die Pflanzen bei konstanter Lichtintensität, aber unterschiedlicher Lichtqualität, z.B. mehr kurzwelliges Blaulicht, oder verändertes langwelliges Rotlicht angezogen, veränderte sich die Genexpression nur relativ schwach, ca. 120 Zielgene. Dies war unerwartet, da Rotlicht-bzw. Blaulichtpulse zu einer wesentlich stärkeren Änderung der Genexpression führen, während hier eine kontinuierliche veränderte Beleuchtung erfolgte. Insgesamt konnten wir wesentliche neue Ergebnisse erzielen, die nur mit der LED-Technologie erhalten werden konnten.
Publications
- Comparative Phenotypical and Molecular Analyses of Arabidopsis Grown under Fluorescent and LED Light. PLANTS Plants 2017, 6, 24
Franka Seiler, Jürgen Soll and Bettina Bölter
(See online at https://doi.org/10.3390/ plants6020024) - Thioredoxins Play a Crucial Role in Dynamic Acclimation of Photosynthesis in Fluctuating Light. Mol Plant 2017, 10, 168-182
Ina Thormählen, Arkadius Zupok, Josephin Rescher, Jochen Leger, Stefan Weissenberger, Julia Groysman, Anne Orwat, Gilles Chatel- Innocenti, Emmanuelle Issakidis-Bourguet, Ute Armbruster, Peter Geigenberger
(See online at https://doi.org/10.1016/j.molp.2016.11.012) - Analysis of Arabidopsis thaliana Groth Behavior in Different Light Qualities; J Vis Exp 2018 2
Bölter B, Seiler F, Soll J
(See online at https://doi.org/10.3791/57152) - FZL is primarily localized to the inner chloroplast membrane however influences thylakoid maintenance; Plant Mol Biol Plant Mol Biol 2018 97,421-433
Patil M, Seifert S, Seiler F, Soll J, Schwenkert S
(See online at https://doi.org/10.1007/s11103-018-0748-3)
