Guía de fotosíntesis

Primer plano de una hoja verde bajo luces LED de cultivo para cannabis en cultivo comercial.

La luz es la variable ambiental más importante para el crecimiento de las plantas. Las plantas son autótrofos que han desarrollado la capacidad de utilizar la energía luminosa del sol para producir una fuente de alimento mediante el proceso de fotosíntesis. El proceso es bastante complejo y, por el bien de esta guía, podemos utilizar esta definición simplificada de fotosíntesis: utilizar la energía de la luz para dividir el agua (H2O) y fijar el dióxido de carbono (CO2) para formar carbohidratos (CH2O) y oxígeno (O2)(Figura 1). El propósito de esta guía no es discutir las reacciones bioquímicas de la luz en la fotosíntesis, sino discutir las diferentes propiedades de la luz y su influencia en la fotosíntesis. La calidad (espectro), la cantidad (intensidad) y la duración (fotoperiodo) son propiedades de la luz distintas pero relacionadas que influyen en la fotosíntesis. Se definirá la ciencia en la que se basa cada propiedad y, a continuación, se analizará la aplicación de las propiedades en relación con los sistemas de iluminación hortícola.

Calidad espectral de la luz

La radiación fotosintéticamente activa (RFA) es el principal motor de la fotosíntesis en las plantas. Sin embargo, no todas las longitudes de onda de la luz son igual de eficaces para impulsar la fotosíntesis. En la década de 1970, dos científicos especializados en plantas, el Dr. McCree y el Dr. Inada, realizaron varios estudios para determinar la influencia de los espectros de luz en la fotosíntesis. Esta investigación dio lugar a la creación de una curva de respuesta fotosintética que ahora se conoce apropiadamente como la curva de McCree. Si consulta la curva de McCree(Figura 2), observará que la luz roja (600-700 nm) es casi dos veces más eficaz que la luz azul (400-500 nm) para impulsar la fotosíntesis, y que la luz verde (500-600 nm) se sitúa entre ambas. Antes de esta investigación, existía la idea errónea de que, dado que la clorofila absorbe la luz principalmente en las partes roja y azul del espectro visible (lo que da lugar al color verde de las hojas de las plantas), la luz verde no era utilizada por las plantas para la fotosíntesis. Sin embargo, las mediciones precisas e independientes de la actividad fotosintética bajo diferentes longitudes de onda realizadas por McCree e Inada demostraron que la luz en el espectro verde (500 - 600 nm) es casi tan eficaz como la luz azul para un número considerable de especies vegetales. La explicación resumida de este hecho experimental es que las plantas superiores han desarrollado soluciones bioquímicas y biofísicas (por ejemplo, pigmentos accesorios) para utilizar la luz verde. Estos pigmentos accesorios (principalmente carotenoides) pueden considerarse moléculas de almacenamiento de fotones que no son absorbidos directamente por la clorofila.

La calidad espectral de la luz es un componente clave en el diseño de los sistemas de iluminación hortícola, especialmente en aplicaciones de iluminación de fuente única (ausencia de luz solar). Los sistemas tradicionales de iluminación de descarga de alta intensidad (HID) (sodio de alta presión y halogenuros metálicos) siempre han tenido una limitación a la hora de modificar la calidad espectral de la luz. El uso de diodos emisores de luz (LED) en los sistemas de iluminación hortícola permite a los fabricantes crear calidades de luz espectral personalizadas, junto con otras muchas ventajas sobre los sistemas de iluminación convencionales, entre las que se incluyen: altas eficiencias de conversión fotoeléctrica, bajo rendimiento térmico e intensidades de luz ajustables. La calidad de la luz no sólo influye en la fotosíntesis, sino también en la morfología de las plantas, lo que se conoce como fotomorfogénesis.

Intensidad luminosa

El número de fotones que absorben los fotorreceptores especializados llamados cloroplastos influye directamente en la tasa de fotosíntesis. A medida que aumenta la intensidad de la luz (PPFD), también lo hace la tasa de fotosíntesis, hasta que se alcanza un punto de saturación. Cada especie vegetal tiene un punto de saturación lumínica diferente, en el que los niveles fotosintéticos se estabilizan en función del entorno lumínico en el que han evolucionado. La saturación de luz se produce a intensidades mucho menores en las plantas que evolucionaron en condiciones de sombra que en las que lo hicieron a pleno sol. Sin embargo, la saturación de luz se produce normalmente (sobre todo en plantas de sol) cuando algún otro factor (normalmenteCO2) está limitado(Figura 3). Otra consideración importante en relación con la intensidad luminosa se conoce como punto de compensación luminosa. Las plantas tienen una intensidad luminosa mínima necesaria para promover un crecimiento de mantenimiento que las mantenga vivas. Como es de esperar, el punto de compensación lumínica se produce a intensidades de luz más altas para las plantas de sol que para las de sombra. Proporcionar intensidades de luz adecuadas con la calidad espectral de luz correcta es fundamental para promover el crecimiento de nuevas plantas.

Gráfico que muestra la absorción de CO2 frente a la luz para luces LED en el cultivo de cannabis.
Figura 3: Curvas de respuesta fotosintética a la luz.
Los sistemas de iluminación hortícola pueden utilizarse de dos formas para aumentar la intensidad de la luz con el fin de promover la fotosíntesis. La luz suplementaria puede ser proporcionada por sistemas de iluminación en entornos de invernadero, generalmente durante condiciones que limitan la luz (por ejemplo, los meses de invierno en latitudes septentrionales, condiciones nubosas, o una combinación de ambos), o como única fuente de luz fotosintética en un entorno controlado de interior (por ejemplo, cámara de crecimiento, almacén, tienda de cultivo, etc.) donde la luz solar no se utiliza como fuente para la fotosíntesis. Una de las principales ventajas de utilizar LED para cualquiera de estas aplicaciones es la baja emisión térmica en la superficie del diodo. Conseguir una PPFD muy alta con luces HID siempre ha estado limitado por la distancia que hay que mantener entre las lámparas y el dosel del cultivo, ya que estas lámparas emiten un alto porcentaje de energía en forma de luz infrarroja (IR). La luz IR no es fotosintéticamente activa y aumenta significativamente la temperatura de las plantas, por lo que un método para mitigar esta respuesta es aumentar la distancia entre la luz y el dosel del cultivo (lo que se traduce en una disminución de las intensidades de luz y limita los entornos en los que pueden utilizarse a instalaciones con techos altos). Con una gestión térmica adecuada, los LED disipan la mayor parte de su calor por la parte posterior del diodo, por lo que los dispositivos de iluminación pueden colocarse a distancias mucho menores del dosel del cultivo, lo que permite proporcionar a las plantas niveles de PPFD muy elevados (≥ 1000 µmol/m2/s).

Duración de la luz

La duración de la luz (fotoperiodo) es el tiempo que una planta está expuesta a la luz durante un periodo de 24 horas. La duración de un fotoperiodo puede influir en la intensidad total de luz que recibe una planta en 24 horas, lo que a su vez influye en el crecimiento general. Esto se describe como integral diaria de luz(DLI), que se define como la PPFD acumulativa suministrada durante 24 horas, y se expresa en mol/m2/d. El fotoperiodo también influye en la transición del crecimiento vegetativo al reproductivo en varias especies vegetales. Sin embargo, es en realidad el periodo oscuro (skotoperiodo) y no el fotoperiodo lo que determina cuándo ciertas especies realizarán la transición al crecimiento reproductivo. El fotorreceptor fitocromo es el principal responsable de señalar la transición al crecimiento reproductivo en los cultivos fotoperiódicos(para saber más sobre este tema, haga clic aquí para leer nuestra guía sobre fotomorfogénesis). Las plantas de día corto (noche larga) florecen cuando el fitocromo percibe una noche larga ininterrumpida (generalmente ≥ 12 horas). Las plantas de día largo (noche corta) florecen durante noches cortas (generalmente ≤ 12 horas). Alternativamente, varias especies de plantas son de día neutro, en las que el fotoperiodo no influye en la floración.

Los sistemas de iluminación hortícola pueden utilizarse para proporcionar luz fotoperiódica con el fin de ampliar la duración del día y promover la floración de las plantas de día largo o suprimir la floración de las plantas de día corto, independientemente de la estación o el clima. Tradicionalmente, se han utilizado luces HID, incandescentes o fluorescentes para proporcionar iluminación fotoperiódica en los invernaderos. Sin embargo, estas tecnologías son relativamente ineficaces a la hora de convertir la energía eléctrica en PAR. Los sistemas de iluminación de fluorescencia convierten la energía eléctrica en PAR de forma más eficiente que estas tecnologías de iluminación. Para más información, consulte esta publicación de la Universidad Estatal de Utah.

Conclusión

El trabajo de los doctores McCree e Inada fue fundamental para comprender la influencia de la calidad espectral de la luz en la fotosíntesis; sin embargo, el estudio de la fotobiología está todavía en sus inicios y los rápidos avances en las tecnologías LED han permitido a los investigadores la capacidad de ampliar el trabajo de los anteriores científicos de plantas. Todavía queda mucho trabajo por hacer en el estudio de la fotobiología, y Fluence Bioengineering está trabajando con científicos de plantas de renombre mundial y cultivadores comerciales para seguir explorando la interacción entre la vida y la luz.