Phytochrom Cannabis (PhyA/PhyB, Pr/Pfr, R:FR)
Kurzdefinition
Phytochrome sind bilin-tragende Photorezeptoren, die in zwei photoreversiblen Formen existieren — Pr (rot-absorbierend, 660 nm, biologisch inaktiv) und Pfr (far-red-absorbierend, 730 nm, biologisch aktiv) — und durch das R:FR-Verhältnis des Lichts ein phytochromatisches Gleichgewicht einstellen, das Morphogenese (Shade Avoidance), Photoperiodismus (Blüteeinleitung via FT/CsFT) und Internodienlänge in Cannabis reguliert.
Wissenschaftliche Beschreibung
Photochemischer Mechanismus: Phytochrome sind Chromoproteine mit einem Phytochromobilin-Chromophor (Bilin, offenkettiges Tetrapyrrol). Die Z/E-Isomerisierung des Chromophors unter Lichtabsorption bewirkt Konformationsänderungen des Apoprotein-Dimer: Pr (15Z-Konfiguration, λmax 660 nm) → Pfr (15E-Konfiguration, λmax 730 nm) unter Rotlicht; rückwärts unter Far-Red oder im Dunkeln (thermische Dunkelreversion, t₁/₂ ~60–120 min bei 20°C).
Phytochromostatisches Gleichgewicht (Pfr/Ptotal = φ): $$\phi = \frac{[Pfr]}{[Pfr]+[Pr]}$$ Wert bei verschiedenen Lichtbedingungen:
| Lichtbedingung | R:FR-Ratio | φ (Pfr/Ptotal) | Phänotyp |
|---|---|---|---|
| Direktes Sonnenlicht | ~1,2 | ~0,55–0,60 | Normaler Habitus |
| Bewölkter Himmel | ~0,8–1,0 | ~0,45–0,55 | Leichte Streckung |
| Unter Pflanzenschirm | ~0,1–0,3 | ~0,05–0,25 | Shade Avoidance (Streckung) |
| HPS-Licht | ~0,5–0,7 | ~0,35–0,45 | Moderate Streckung |
| Reines Rotlicht (660 nm) | ∞ | ~0,87 | Maximal Pfr |
| Reines Far-Red (730 nm) | 0 | ~0,02 | Maximal Pr |
PhyA vs. PhyB — Funktionelle Unterschiede:
| Merkmal | PhyA | PhyB |
|---|---|---|
| Lichtempfindlichkeit | Extrem hoch (VLFR) | Moderat (LFR) |
| Stabilität | Degradiert unter Weißlicht (Ub-Pathway) | Stabil unter Beleuchtung |
| Hauptfunktion | De-Etiolierung, HIR (High Irradiance Response) | Tageslichtmorphogenese, Photoperiodismus |
| Photoperiodik | Unter Kurztag dominant | Unter Langtag dominant |
| Cannabis | CsPhyA-Orthologe identifiziert | CsPhyB: Hauptregulator R:FR-Effekte |
PIF-Signalkaskade (Shade Avoidance): Niedrige φ (wenig Pfr) → PIF3/PIF4/PIF7 (Phytochrome Interacting Factors, bHLH-Transkriptionsfaktoren) nicht durch Pfr phosphoryliert und abgebaut → PIFs akkumulieren im Nukleus → aktivieren: - IAA20/IAA19 (Auxin-Responsive Gene) → Auxin-Biosynthese↑ (TAR1/YUC) → IAA↑ → Internodienstreckung - GA20ox (GA-Biosynthese) → GA₁/GA₄ → DELLA-Degradation → Elongation - HEC1 (Phytochrome-Downstream) → Blühzeitpunkt-Kontrolle
R:FR und CsFT (Cannabis Florigen): Haiden et al. (2025) zeigten, dass das R:FR-Verhältnis CsFT-Expression moduliert: Niedrige R:FR (0,5 vs. 1,2) verstärkte CsFT-Transkription unter induktiven Kurztagbedingungen, was auf eine direkte Phytochrom-Florigen-Verbindung hinweist. Praktische Implikation: Far-Red-Supplementierung im Übergang Veg→Blüte könnte Blüteeinleitung via CsFT-Hochregulation beschleunigen.
EOD-Far-Red-Effekt: End-of-Day (EOD) Far-Red-Puls (730 nm, 5–15 min am Ende der Lichtphase) senkt φ auf ~0,02 → erhöhter Pr-Spiegel zu Beginn der Dunkelphase → beschleunigte Dunkelkonversion-Abfolge → Blüteeinleitung ähnlich wie bei längerer Dunkelphase. Peterswald et al. (2025) bestätigten: EOD-FR beschleunigt Blüteinduktion ohne tagsüber Shade-Avoidance auszulösen (da tagsüber das FR nur 5–15 min wirkt und Tageslicht-R:FR dominiert).
Night Break (Dunkelunterbrechung mit Rotlicht): Kurzer Rotlicht-Puls (660 nm, 5–10 min) in der Mitte der Dunkelphase → Pfr↑ → Pr-Akkumulation unterbrochen → Blüteeinleitung gestoppt → vegetativer Phänotyp beibehalten. Basis für Mutterpflanzen-Management und Night-Break-Vegetationserhalt.
Biologische Auswirkungen
In Cannabis: 1. Shade Avoidance unter HPS: HPS hat hohes Gelb:Rot-Verhältnis, aber moderates Far-Red → R:FR ~0,5–0,7 → schwaches Shade Avoidance; LED-Purpur ohne Far-Red → kein Shade Avoidance; LED mit Far-Red → konfigurierbar 2. EOD-FR-Protokoll für frühere Ernte: 2–5 Tage frühere Blüteeinleitung → kürzere Gesamtzykluszeit → höherer Durchsatz pro Jahr 3. Inter-Kultivar-Variation: Sativa-dominante Sorten zeigen stärkere Shade-Avoidance-Reaktion auf niedrige R:FR als Indica-dominante (unterschiedliche PIF4/PIF7-Aktivität)
Anbau-Relevanz
- Far-Red gezielt einsetzen: Moderate Far-Red-Supplementierung (~5–10 % des PPFD als 730 nm) während der Blüte + EOD-FR → Blütebeschleunigung + Emerson-Enhancement; Vorsicht: > 15 % FR → Shade Avoidance → lange Internodien
- R:FR-Messung: Standard-PPFD-Sensoren messen nicht 730 nm; spezielle R:FR-Sensoren (Apogee SQ-500) oder spektrometrische Messung notwendig
- HPS-Umrüstung auf LED: Füge Far-Red-LEDs (730 nm Bars) hinzu wenn Internodienstreckung kein Problem → Emerson-Gain ohne Morphologie-Nachteil
- Mythos: "Far-Red ist immer schädlich" — nur bei übermäßig niedrigem R:FR (< 0,3) ohne begleitende hohe PPFD; mit hohem PPFD ist Shade Avoidance abgeschwächt (Kusuma 2023)
Verwandte Begriffe
- lichtspektrum — Spektrum-Übersicht aller Photorezeptoren
- rot-blau-morphologie — R/B-Verhältnis und Morphologie
- photoperiodik — Phytochrom in Photoperiodismus
- nacht-unterbrechung — Night Break via Phytochrom
Quellen
- Haiden T et al. (2025) Sci Rep. PMID: 12095668. DOI: 10.1038/s41598-025-00430-7
- Peterswald TJ et al. (2025) Sci Rep. PMID: 12092679. DOI: 10.1038/s41598-025-99771-6
- Kusuma P et al. (2023) Front Plant Sci 14:1185622. DOI: 10.3389/fpls.2023.1185622
- Smith H (1982) Annual Review of Plant Physiology 33:481–518. DOI: 10.1146/annurev.pp.33.060182.002405