Effects of broad-bandwidth LED light spectra on the development and quality of medicinal and aromatic plants including thyme (thymus vulgaris L.), peppermint (Mentha x piperita L.) and basil (Ocimum basilicum L.)

Abstract

Within the framework of the regional and interdisciplinary research project LED4Plants, broadband lighting systems via light-emitting diodes (LED) were developed, which cover the plant-receptive waveband region between ultraviolet and far-red radiation (360-780 nm). To investigate the practical feasibility of these LED-broadband spectra for horticultural productions, three different herbs from the Lamiaceae family were cultivated under practice-relevant cultivation conditions. During the naturally low irradiated fall and winter months of Berlin, Germany, Thymus vulgaris L. was cultivated under semi-controlled greenhouse conditions. In direct comparison to the traditionally applied high pressure sodium lamps and fluorescent lights, the broadband LED lighting enabled an accelerated development of Thymus vulgaris L., which resulted in distinct yield increases. In addition, prolonged internodes and greater leaf surfaces became apparent under the broadband LED light spectrum. While the chemical compositions of the aroma compounds were similar, the contents of these volatile organic compounds (VOC) were significantly elevated by the high pressure sodium lamps and especially by the LED-systems in comparison to the fluorescent lights in thyme. In contrast to the conventional lighting systems, the broadband LED system enabled a feasible extension of greenhouse productions and allows the cultivation of a greater variety of crops with greater light requirements due to its superior photon output and greater energy efficiency. In an automated vertical cultivation system, Mentha x piperita L. was exposed to a broadband LED light spectrum and two narrow LED light spectra (RB = Red/Blue, RGB = Red/Green/Blue) under initially identical light intensity conditions and under the exclusion of natural sunlight. While RB resulted in a compact growth, both green-containing light conditions induced excessive stem and side branch elongations and significant leaf expansions known as shade avoidance responses. Although peppermint plants achieved marketable appearances under all light conditions, their essential oil compositions did not meet consumer safety requirements due to high concentrations of pulegone and menthofuran. All results are discussed as a result of the specific lighting conditions and the time of harvest. Under the exclusion of natural light, four Ocimum basilicum L. cultivars were illuminated with a broadband LED light spectrum with elevated blue and red light fractions and exposed to two different rising light intensities (ILow and IHigh). Cultivar-dependent differences in plant height, leaf and branch pair developments were observed over time. In comparison to the ILow light conditions, IHigh resulted in accelerated developments and greater biomass yields of all basil cultivars and expedited their marketability by 3-5 days. However, exposure to light intensities above approximately 300 µmol m-2 s-1 induced light avoidance responses in the green-leafed basil cultivars. In contrast, ILow resulted in consumer-preferred visual qualities and greater biomass efficiencies of the green-leafed basil cultivars and are discussed as a result of their ability to adapt well to low light conditions. In contrast, the purple-leafed cultivar developed insufficiently under ILow, but remained light-tolerant under IHigh, which was attributed to its high anthocyanin contents. Regardless of the light treatment applied, cultivar-specific VOC compositions changed tremendously in a developmental stage-dependent manner.

Im Rahmen des regionalen und interdisziplinären Forschungsprojekts LED4Plants wurden Breitbandbeleuchtungssysteme mittels Leuchtdioden (LED) entwickelt, welche den für Pflanzen wahrnehmbaren Wellenlängenbereich zwischen ultravioletter und dunkelroter Strahlung (360 bis 780 nm) abdecken. Um die Praxistauglichkeit dieser LED-Breitbandspektren für gartenbauliche Produktionen zu untersuchen, wurden drei verschiedene Kräuter aus der Familie der Lamiaceae unter praxisrelevanten Anbaubedingungen kultiviert. Während der durch geringe natürliche Sonnenstrahlung geprägten Herbst- und Wintermonate wurde Thymus vulgaris L. unter semi-kontrollierten Gewächshausbedingungen in Berlin (Deutschland) kultiviert. Im direkten Vergleich zu den herkömmlichen Natriumdampfdrucklampen und Leuchtstoffröhren ermöglichte das entwickelte LED-System eine beschleunigte Entwicklung von Thymus vulgaris L., die sich in deutlichen Ertragssteigerungen bemerkbar machte. Zusätzlich wurden verlängerte Internodien und größere Blattflächen unter den LED-Beleuchtungssystemen beobachtet. Während sich die chemischen Profile der Aromakomponenten ähnelten, wurden die Gehalte dieser flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) durch die Natriumdampfdrucklampen und besonders durch die LED-Systeme im Vergleich zu den Leuchtstoffröhren bei Thymian stark erhöht. Im Gegensatz zu den konventionellen Beleuchtungssystemen ermöglichte das LED-Breitbandbeleuchtungssystem aufgrund der erhöhten Photonenabgabe und der besseren Energieeffizienz eine wirtschaftliche Verlängerung der Gewächshausproduktion und erlaubt den Anbau einer größeren Vielfalt an Kulturpflanzen mit erhöhtem Lichtbedarf. In einem automatisierten vertikalen Anbausystem wurde Mentha x piperita L. mit einem LEDBreitbandspektrum sowie mit zwei schmalbandingen Spektren (RB = Rot/Blau, RGB = Rot/Grün/Blau) unter anfänglich gleichen Lichtintensitätsbedingungen und unter Ausschluss des natürlichen Sonnenlichts beleuchtet. Während RB in einem kompakten Wachstum resultierte, induzierten die beiden grünhaltigen Lichtkonditionen exzessive Stängel- und Seitentriebverlängerungen sowie signifikante Blattexpansionen. Obwohl die Pfefferminzpflanzen unter allen Lichtbedingungen ein vermarktungsfähiges Erscheinungsbild erreichten, erfüllten die ätherischen Ölkompositionen aufgrund ihrer hohen Pulegon- und Menthofurankonzentrationen nicht die Verbraucherschutzanforderungen. Alle Ergebnisse werden vor dem Hintergrund der spezifischen Lichtkonditionen und des Erntezeitpunkts diskutiert. Auch unter Ausschluss des natürlichen Sonnenlichts, wurden vier Basilikumkultivare mit einem LED-Breitbandspektrum mit erhöhten Blau- und Rotanteilen beleuchtet und dabei zwei unterschiedlich steigenden Lichtintensitäten ausgesetzt (ILow und IHigh). Kultivarabhängige Unterschiede in Pflanzenhöhe, Blattpaar- und Seitentriebentwicklungen wurden über die Zeit beobachtet. Im Vergleich zu ILow resultierte IHigh in höheren Biomasseerträgen und beschleunigte deren Marktreife um 3-5 Tage. Lichtintensitäten oberhalb von etwa 300 µmol m-2 s-1 induzierten jedoch Lichtvermeidungsstrategien in den grünblattrigen Basilikumkultivaren unter IHigh. Dagegen resultierte ILow in einer von Konsumenten bevorzugten visuellen Qualität und höheren Biomasseeffizienzen der grünblättrigen Kultivare, welche als Resultat ihrer Anpassungsfähigkeit an geringe Lichtbedingungen diskutiert wird. Im Gegensatz zu den grünblättrigen Kultivaren, entwickelte sich der violettblättrige Kultivar unzureichend unter ILow, erwies sich aber unter IHigh als licht-tolerant, was auf dessen hohe Anthozyangehalte zurückzuführen ist. Unabhängig von den Lichtbedingungen veränderten sich die kultivar-spezifischen VOC-Kompositionen entwicklungsabhängig.