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La Fisiología de la Fotosíntesis: Implicaciones para la Iluminación Suplementaria
18 de marzo de 2021
A menudo se requiere iluminación suplementaria para producir plantas de alta calidad de manera oportuna. Sin embargo, los costos asociados con dicha iluminación suplementaria pueden ser elevados. Para la producción rentable de cultivos de alta calidad, es importante asegurar que los cultivos puedan utilizar la iluminación suplementaria de manera eficiente. Para desarrollar los métodos de iluminación más rentables posibles, decidimos empezar por lo básico: cuantificar la eficiencia con la que los diferentes cultivos pueden utilizar la luz y usar ese conocimiento para desarrollar estrategias de iluminación más inteligentes. En este artículo, nos centraremos en las plantas perennes. Por supuesto, existen muchas especies de plantas perennes, por lo que decidimos centrarnos en 10 especies populares.
Eficiencia en el uso de la luz de las plantas perennes
Las dos primeras preguntas que queríamos responder eran simplemente: 1) ¿con qué eficiencia utilizan la luz las distintas especies? Y 2) ¿cómo depende esto de la intensidad de la luz (o densidad de flujo de fotones fotosintéticos, PPFD)? Lo más común es que los científicos midan cuánto CO2 fijan las plantas y convierten en azúcares. Queríamos empezar en un nivel más básico: las reacciones luminosas de la fotosíntesis. Las reacciones luminosas de la fotosíntesis funcionan de manera muy similar a los paneles solares: la energía lumínica (o fotones) se absorbe y se utiliza para crear una corriente (tasa de transporte de electrones). La energía generada por esa corriente se utiliza luego para convertir el CO2 en azúcares. Por lo tanto, para un crecimiento rápido, se requiere una alta tasa de transporte de electrones. Estos procesos son fáciles de medir y lo hicimos para 10 especies con niveles de luz que oscilaban entre 0 y 750 µmol·m-2·s-1. Dos cosas son obvias (Figura 1):
- La eficiencia en el uso de la luz fotosintética disminuye al aumentar la PPFD. Esto es cierto para todas las especies e inevitable.
- Existen diferencias en la eficiencia con la que las distintas especies utilizan la luz, especialmente a niveles de luz más altos. Quizás no sea sorprendente que las especies que crecen bien a la sombra, como la hosta y la heuchera, utilicen los niveles altos de luz con menos eficiencia que las especies que prefieren el pleno sol.
Dado que la tasa de transporte de electrones se calcula a partir de la eficiencia en el uso de la luz y la PPFD, las diferencias entre especies en la tasa de transporte de electrones son similares a las de la eficiencia en el uso de la luz. Sin embargo, la eficiencia en el uso de la luz disminuye y la tasa de transporte de electrones aumenta al incrementar la PPFD. Esto crea un pequeño dilema: dado que se requiere una alta tasa de transporte de electrones para un crecimiento rápido, está intrínsecamente acoplada a una menor eficiencia en el uso de la luz.
Figura 1. Utilizando la información fisiológica presentada en la Figura 1, podemos calcular fácilmente la eficiencia en el uso de la luz fotosintética y la tasa de transporte de electrones de 10 perennes populares en función de la DFPF.
Desarrollo de Mejores Estrategias de Iluminación
Utilizando los datos de la Figura 1, podemos calcular fácilmente el aumento en la tasa de transporte de electrones (y presumiblemente la fotosíntesis y el crecimiento) cuando proporcionamos una cierta cantidad de luz suplementaria. La Figura 2 muestra cuánto podemos esperar que aumente la tasa de transporte de electrones al proporcionar 100 µmol·m-2·s-1 de luz suplementaria. Esto nos ayuda a ver información importante para tomar mejores decisiones sobre la iluminación suplementaria:
- Las tasas de transporte de electrones aumentan más cuando se proporciona iluminación suplementaria cuando hay poca luz solar
- Un cultivo de baja intensidad lumínica como la hosta no se beneficia en absoluto de la iluminación suplementaria cuando hay abundante luz solar, mientras que un cultivo de alta intensidad lumínica como la rudbeckia sí lo hace (¡pero ni de lejos tanto como con niveles bajos de luz solar!).
Esto tiene consecuencias directas para la gestión de la iluminación complementaria:
- Proporcione iluminación suplementaria preferiblemente cuando hay poca luz solar. Aumentará el crecimiento más que proporcionar la misma cantidad de luz suplementaria cuando hay abundante luz solar. En muchos casos, el control de la iluminación suplementaria ya se regula basándose en un cierto umbral de luz solar: el sistema de iluminación se encenderá únicamente cuando la luz solar caiga por debajo de ese umbral.
- Para el control de los umbrales, los umbrales de luz solar deben ser específicos de cada especie, siempre que sea posible. En el caso de las especies de baja intensidad lumínica, el uso de un umbral de iluminación más bajo evitará la iluminación suplementaria cuando dichas especies no puedan utilizarla eficazmente. Como se desprende claramente de la Figura 2, proporcionar luz suplementaria cuando hay más de 400 µmol·m⁻²·s⁻¹ aumentará la fotosíntesis de la rudbeckia, pero tendrá poco efecto en la fotosíntesis de la hosta.
Figura 2. El aumento en la tasa de transporte de electrones (flechas verticales) como resultado de 100 µmol·m-2·s-1 de luz suplementaria (flechas horizontales). El eje x muestra la cantidad de luz solar. Los símbolos y flechas rojas corresponden a Rudbeckia, y los negros/grises a hosta.
Basándonos en esta investigación, hemos acuñado un nuevo término: el integral fotoquímico diario. Probablemente estés familiarizado con el integral de luz diario: un término de uso común que describe cuánta luz recibe un cultivo a lo largo de un día. El integral fotoquímico diario es algo similar: describe la cantidad diaria de fotoquímica (el término científico para el transporte de electrones) de un cultivo. El objetivo de un programa eficiente de iluminación suplementaria debería ser obtener el mayor integral fotoquímico diario con la menor cantidad de luz suplementaria. Hay dos formas de hacer esto:
- Como las plantas utilizan la luz con mayor eficiencia cuando la luz solar es escasa, proporcione luz suplementaria cuando haya poca luz solar.
- Utilice fotoperíodos más largos siempre que sea posible. Si utiliza fotoperíodos más largos, pero la misma integral de luz diaria, la DFPF instantánea será menor. Y eso permite que las plantas utilicen la luz de manera más eficiente, aumentando la integral fotoquímica diaria. La Figura 3 muestra este efecto para algunos cultivos perennes diferentes. Como puede ver, los beneficios de los fotoperíodos largos son especialmente pronunciados para las especies de baja intensidad lumínica, como la hosta. Pero todas las especies tendrán una integral fotoquímica diaria más alta con fotoperíodos más largos. Un beneficio adicional es que los fotoperíodos más largos requieren una DFPF más baja y, por lo tanto, menos luminarias: se reducirá el gasto de capital del sistema de iluminación. Hay una advertencia importante: la floración de muchas especies está controlada al menos en parte por el fotoperíodo, por lo que antes de utilizar fotoperíodos más largos a gran escala, realice ensayos a menor escala para asegurarse de que los fotoperíodos más largos no desencadenen una floración prematura en cultivos de días largos ni impidan la floración en cultivos de días cortos.
Figura 3. El integral fotoquímico diario estimado de cuatro especies perennes en función del fotoperiodo. En todos los casos, los cultivos recibieron un integral de luz diario de 15 mol·m-2·d-1. El uso de fotoperiodos más largos, con el mismo integral de luz diario, aumenta el integral fotoquímico diario, un indicador indirecto de la fotosíntesis.
Hasta ahora, todo esto se basa en la fisiología básica y en la teoría. Entonces, ¿los fotoperíodos más largos, con el mismo integral de luz diario, realmente aumentan el crecimiento? Sí, como informamos el año pasado en un Actualización de investigación de AFE, el crecimiento de los brotes de Rudbeckia ‘Goldsturm’ aumenta cuando utilizamos fotoperíodos más largos, pero con la misma integral de luz diaria (Figura 4). Hemos probado esto para varios vegetales de hoja también, y hasta ahora, todas las especies crecen más rápido con fotoperíodos más largos, incluso si no aumentamos la integral de luz diaria.
Figura 4. Los fotoperiodos más largos dan como resultado un mejor crecimiento de las plántulas de Rudbeckia. Las plantas de control de la izquierda no recibieron luz suplementaria (y un DLI promedio de aproximadamente 5 mol/m2/d). Todas las demás plantas recibieron un DLI de 12 mol/m2/d, pero esa luz se distribuyó en fotoperiodos que oscilaron entre 12 y 21 horas. Tanto el crecimiento de la raíz como el de los brotes aumentó con fotoperiodos más largos.
¿Qué significa esto para la industria floricultora?
Una comprensión básica de la fisiología fotosintética puede ayudar a desarrollar mejores estrategias de iluminación. Los tres mensajes principales más importantes:
- Proporcione luz suplementaria preferentemente cuando los niveles de luz solar sean bajos.
- La estrategia de iluminación óptima depende de la especie.
- Los fotoperíodos más largos pueden aumentar el crecimiento sin incrementar la cantidad de luz suplementaria que se proporciona.
¿Qué es lo siguiente?
El apoyo del sector a través de la American Floral Endowment contribuyó a que esta investigación fuera posible. Además, la ayuda económica de la AFE nos permitió obtener posteriormente una subvención de $5.000.000 de la Iniciativa de Investigación sobre Cultivos Especializados del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Este proyecto, titulado Llucha AEnfoques para Mmaximizar Profits, reúne a científicos e ingenieros de todo el país. Tener un equipo diverso trabajando en cuestiones de iluminación en la industria de la agricultura en ambiente controlado nos ayudará a integrar la producción hortícola, la economía y la ingeniería. Esto dará lugar a enfoques holísticos para optimizar las estrategias de iluminación suplementaria. Para obtener más información sobre Proyecto LAMP, por favor leer este artículo de AFE o visite www.hortlamp.org.
Dr. Marc van Iersel, Universidad de Georgia
