Influencia de la intensidad y la calidad de la luz
El crecimiento y desarrollo de las plantas, como la producción de hojas, tallos, raíces y órganos florales, es el resultado de procesos metabólicos primarios. Los subproductos de la fotosíntesis se transportan por toda la planta y se utilizan en los tejidos en desarrollo. Sin embargo, existen otros procesos en las plantas, como la coloración, la defensa frente a depredadores e infecciones, el fomento de la polinización y las relaciones simbióticas, y la defensa frente a condiciones ambientales como la luz y la temperatura. Es lo que llamamos metabolismo secundario. Cuando estos procesos entran en juego, los recursos se desvían del metabolismo primario (crecimiento) y se utilizan para generar diversos atributos cruciales para la calidad de los cultivos desde el punto de vista del consumo humano.
Cuando consumimos plantas como alimento o medicina, muchos de estos compuestos pueden tener efectos poderosos sobre las funciones básicas del cuerpo, aliviar los síntomas de enfermedades crónicas, prevenir el cáncer y aliviar problemas psicológicos generales como la ansiedad y el estrés. En entornos controlados, podemos influir en estos mecanismos de defensa naturales de las plantas manipulando la intensidad y la calidad de la luz. Es importante tener en cuenta que existe un equilibrio entre estimular el crecimiento de la planta (metabolismo primario) y aumentar la producción de metabolitos secundarios que pueden mejorar la calidad de la cosecha. En este artículo, nos centraremos en los metabolitos secundarios (flavonoides, terpenos, cannabinoides y otros) que producen las plantas en respuesta a las señales ambientales, cómo afectan a la calidad de la cosecha y qué puedes hacer para aprovechar estos mecanismos.
Flavonoides
En las plantas, los flavonoides sirven principalmente como atrayentes de insectos (coloreando el polen), señales para establecer relaciones con los microbios del suelo, antioxidantes (que eliminan compuestos que pueden causar fotoblanqueo e inhibición del crecimiento) y fotoprotectores (que disipan las longitudes de onda dañinas para proteger las células). Las antocianinas son una clase de flavonoides visibles como una coloración roja a púrpura del tejido foliar. Las hojas rojas de la lechuga y las hierbas suelen contener grandes cantidades de estos flavonoides, que funcionan esencialmente como un protector solar para las plantas. Cuando la superficie de una hoja se expone a longitudes de onda azules (400-500 nm) o ultravioletas (300-400 nm) de una intensidad suficientemente alta (difiere según las especies), el metabolismo secundario de la planta se activa por varias razones. La luz azul y ultravioleta (UV) tienen frecuencias muy altas, lo que significa que transportan una enorme cantidad de energía que puede ser perjudicial para diversas funciones celulares de la planta. Para proteger estos tejidos de la energía entrante y limpiar los "radicales libres" producidos en la célula, las plantas producen antocianinas.
La acumulación de antocianinas en respuesta a la luz azul o UV aumenta con la intensidad de la luz. Al final, se establece un equilibrio entre la fotoprotección de las antocianinas y la captación de luz por los terpenoides (clorofila y carotenoides). Es importante recalcar que se trata de un proceso secundario de la planta, que desvía energía del crecimiento. Si la intensidad es lo suficientemente alta, puede observarse un cambio visible en la coloración del cultivo. La luz verde (500-550 nm) puede invertir muchas funciones de las plantas que, de otro modo, se ven estimuladas por la exposición a la luz azul. Un exceso de luz verde con respecto a la azul puede anular completamente esta respuesta. Una lechuga de hoja roja cultivada bajo una alta proporción de verde puede no volverse roja en absoluto. Los que crecen bajo lámparas HPS (que tienen una proporción muy pequeña de luz azul en relación con el verde, especialmente en comparación con los accesorios LED de amplio espectro) pueden tener dificultades para estimular la producción de antocianinas en los cultivos de ensalada. La incorporación de una lámpara que proporcione luz azul adicional no es probable que estimule la coloración de los cultivos a menos que haya mucho más azul que la porción de verde suministrada por la HPS. En este caso, puede ser útil modificar la iluminación del cultivo justo antes de la cosecha, después de que se haya producido la cantidad deseada de crecimiento. Esto se conoce como un tratamiento de luz de "fin de producción" o EOP.
Un trabajo reciente de EOP realizado por el Dr. Garrett Owen y el Dr. Roberto López demostró un aumento de la coloración (de verde a rojo/rojo oscuro) de cuatro variedades de lechuga cuando se les proporcionó 100 µmol/m2/s mediante iluminación LED suplementaria (roja, azul y en una proporción 1:1) durante 5 a 7 días antes de la cosecha. Su investigación también demostró que los aumentos incrementales en la intensidad de la luz suplementaria de 0 a 100 µmol/m2/s dieron lugar a cantidades crecientes de pigmentación. Estas variedades también se cultivaron bajo lámparas HPS (que proporcionaban 70 µmol/m2/s adicionales); sin embargo, este tratamiento EOP no tenía la calidad de luz suficiente para alcanzar el nivel deseado de coloración de los cultivos para el mercado. El mensaje que se desprende de la aplicación de tratamientos EOP para aumentar la calidad de los cultivos es que la coloración de los cultivos responde mejor a la luz azul, siempre que se proporcione a una intensidad suficiente. Además, para evitar la inhibición del crecimiento, este tipo de iluminación suplementaria es más eficaz cuando se utiliza como tratamiento EOP.
Terpenos
A diferencia de los flavonoides, que se perciben sobre todo como amargos, los terpenos tienen olores y sabores distintivos. Son aceites muy fluidos que confieren atributos maravillosos a flores, hierbas y plantas medicinales y aumentan enormemente la calidad del producto si se producen en cantidades suficientes. Por ejemplo, el limoneno es el principal terpeno presente en el aceite esencial de los limones y el mirceno en el de los mangos. Estos mismos terpenos pueden producirse en otras especies, como diversas hierbas e incluso el Cannabis. La mayor concentración se encuentra normalmente en los tricomas no glandulares (como los pelos de las hojas del tomate o del Cannabis) y en los tricomas glandulares (como las cabezas bulbosas que se ven en las hojas de azúcar y en los cálices del Cannabis). Se han realizado pocas investigaciones sobre el impacto de las distintas longitudes de onda en la biosíntesis de terpenos, pero varios fisiólogos de plantas creen que se requieren longitudes de onda específicas para la activación de los componentes metabólicos necesarios. Además, el aumento de la intensidad de la luz hace que algunas plantas produzcan más tricomas glandulares. Existen pruebas de que estos tricomas adicionales se generan como lugar de secreción de flavonoides defensivos (como ya se ha mencionado, estos compuestos protegen contra el exceso de intensidad luminosa y la luz ultravioleta). El aumento de la síntesis de tricomas glandulares crea nuevos lugares para la biosíntesis y el almacenamiento de terpenos, lo que puede influir en las concentraciones generales de terpenos en varias especies de plantas. En general, la síntesis de terpenos es un tema candente para los investigadores que estudian los efectos de la intensidad y la calidad de la luz.
Cannabinoides
Los cannabinoides son una clase única de compuestos que sólo se encuentran en el Cannabis. Estos aceites resinosos pegajosos se producen en los tricomas durante el periodo de floración y se cree que protegen a las flores en desarrollo de los insectos (trampa pegajosa) y del exceso de calor en condiciones solares cambiantes. Existen más de cien cannabinoides diferentes, como el Δ9-tetrahidrocannabinol (THC), el cannabidiol (CBD), el cannabigerol (CBG), el cannabinol (CBN) y muchos otros. El CBG-A (la forma ácida carboxilada del CBG) es el sustrato precursor para la producción de THC y CBD. No produce el típico "subidón" de la marihuana, pero ciertos investigadores están evaluando efectos medicinales específicos, como el alivio de los síntomas de la neuropatía, los trastornos cerebrales degenerativos, el glaucoma, ciertos tipos de cáncer y la ansiedad. La mayoría de las variedades de cannabis se han cultivado para producir grandes cantidades de THC y/o CBD, dejando atrás bajas concentraciones de la mayoría de los demás cannabinoides que poseen muchas cualidades medicinales. Debido a la situación legal actual del Cannabis en la mayoría de los gobiernos federales, hay muy poca investigación académica que estudie los efectos de las distintas longitudes de onda e intensidad en la producción de cannabinoides. El trabajo que se ha hecho ha sido con cultivares de calidad inferior en comparación con todo lo que hay en el mercado hoy en día. Sin embargo, cada vez se realizan más investigaciones revisadas por expertos sobre el cannabis y, a medida que cambien las leyes, se publicarán investigaciones de calidad en este campo.
Sabemos que la luz UV y posiblemente incluso la luz azul de longitud de onda corta (~400-420nm) pueden estimular la producción de cannabinoides, aunque la producción de estos metabolitos secundarios se producirá independientemente y este efecto es sólo un "impulso" en la producción en lugar de ser un requisito. No podemos decir mucho sobre qué longitudes de onda de la luz resultan en un mayor contenido de cannabinoides específicos, sin embargo, estamos investigando continuamente los efectos de las diferentes longitudes de onda sobre los metabolitos secundarios.
Fotoaclimatación
Siempre que el dióxido de carbono, el agua y los nutrientes no limiten el crecimiento de la planta y se trate de una especie de crecimiento rápido, una mayor intensidad luminosa dará lugar a un crecimiento más rápido y a una mayor producción de metabolitos secundarios. Sin embargo, una intensidad de luz demasiado alta puede ser perjudicial para las células, especialmente en especies sensibles, al producir radicales libres como el peróxido de hidrógeno dentro de las células. A primera vista, este efecto puede manifestarse en forma de fotoblanqueo (manchas blancas o tostadas en las hojas) si la planta no está fotoaclimatada a esa intensidad. Muchos cultivadores se dan cuenta de este problema cuando transfieren plantas de una fase de propagación o enraizamiento en la que la intensidad luminosa es baja a una fase altamente productiva con una intensidad luminosa alta. Como parte del proceso de fotoaclimatación, las especies muy productivas o de crecimiento rápido probablemente acumularán más clorofila para recoger más luz. Si la intensidad es demasiado alta, aumenta la producción de varios carotenoides (para más información, consulte [...pigmentos y fotorreceptores]) para proteger los centros de reacción fotosintética y disipar parte de la luz.
Esta es la razón por la que el aumento de la intensidad luminosa puede tener rendimientos decrecientes, ya que se disipa más luz en respuesta a una mayor intensidad luminosa. Para fotoaclimatar sus plantas de forma productiva con poco o ningún fotoblanqueo (que inhibe el crecimiento), lo mejor es aumentar gradualmente la intensidad de la luz o utilizar un paño de sombra durante una semana o dos. La aclimatación lenta de las plantas a intensidades de luz más elevadas puede lograrse utilizando luces regulables después de determinar cuál será la PPFD deseada (en función de la capacidad de la instalación y de la especie) y creando una serie de incrementos de intensidad (empezando ligeramente por encima de la intensidad de propagación) a lo largo del tiempo. Una forma menos sofisticada de lograr este mismo resultado (si sus luces no son capaces de atenuación) requeriría que usted comience con la distancia de separación planta-lámpara mucho mayor que la deseada y luego poco a poco mover la lámpara más cerca de las plantas (o viceversa) en la misma duración.
Como ya se ha mencionado, las antocianinas pueden acumularse en las hojas de muchas especies en respuesta a la luz azul o UV de intensidad suficiente. Un mecanismo similar protege los frutos de algunos cultivos, como los tomates y los pimientos. Cuando se cultivan pimientos verdes, se puede observar que algunas superficies del fruto expuestas a más luz presentan manchas de coloración entre amarilla y naranja. Esta acumulación de carotenoides fotoprotectores evita daños en el fruto. El licopeno, un carotenoide de color naranja a rojo, desempeña una función similar en los frutos del tomate. Al igual que la mayoría de los metabolitos secundarios inducidos por la luz, la producción de estos carotenoides se acelera a medida que aumenta la intensidad luminosa.
Conclusión
Sabemos que la proporción de longitudes de onda suministradas a las plantas, así como la intensidad, modifican completamente los resultados fotomorfogénicos, así como las concentraciones de fitoquímicos (metabolitos secundarios). El aumento de la intensidad de la luz induce la producción de diversos metabolitos secundarios en las plantas como forma de protección. La luz azul y ultravioleta son las que más influyen en el metabolismo secundario en comparación con otras longitudes de onda, y esto varía con la intensidad. Desde el punto de vista de la producción, estos metabolitos suelen mejorar la calidad del producto, tanto por sus beneficios medicinales para el ser humano como por sus efectos en la coloración de los cultivos. Esto difiere en función de la genética en juego, con mucha variabilidad entre especies. Algunas especies son más tolerantes a esta respuesta y requieren mayores intensidades de luz para mostrar alguna respuesta, mientras que otras no. Un método probado para "obtener lo mejor de ambos mundos" es utilizar un tratamiento EOP en el que las plantas crecen y se desarrollan en condiciones óptimas para el metabolismo primario (amplio espectro), y luego se transfieren bajo un tratamiento de luz que promueve el metabolismo secundario (mayor intensidad o longitudes de onda específicas) antes de la cosecha después de que se haya producido un crecimiento importante del cultivo. En general, el aspecto más importante que hay que recordar es que el metabolismo secundario desvía recursos del crecimiento de la planta. A la hora de seleccionar o realizar cualquier cambio en su sistema de iluminación, tenga en cuenta estas respuestas innatas de la planta para asegurarse de que su sistema es óptimo para la especie y el mercado previstos.
