Investigación evalúa el crecimiento fomentado de plántulas de pepino

La luz es un factor comúnmente limitante para las plantas cultivadas bajo invernadero. Por ejemplo, el Integral de Luz Diaria (DLI) que se considera óptimo para aumentar al máximo la producción de tomate de invernadero es de 30–35 mol m−2 d−1 (Spaargaren, 2001), y de manera similar 13 mol m−2 d−1 se consideran óptimos para la producción de plántulas de hortalizas (Fan et al.,2013). Las lámparas de Alta Presión de Sodio (HPS) y las lámparas de Halogenuros metálicos son las que más se utilizan para proporcionar iluminación suplementaria a los invernaderos; mientras que las lámparas de LEDs tienen un gran potencial para ser adoptadas en gran medida en el futuro. (Bourget, 2008).

La eficiencia de los LEDs ha aumentado con mucha rapidez (Cope y Bugbee, 2013; Philips, 2012) y es posible optimizar la calidad de la luz para satisfacer los requisitos de luz específicos de cada cultivo y aumentar la eficiencia cuántica de las plantas, promover el crecimiento y/o mejorar la morfología. Las lámparas de LEDs han sido estudiadas de manera muy amplia, como las únicas fuentes de luz para el crecimiento vegetal (Massa et al., 2008). Los resultados de las investigaciones utilizando LEDs como la única fuente de iluminación generalmente coinciden en que al agregar luz azul (400–500 nm) a la luz roja (600–700 nm) se obtienen las longitudes de onda óptimas para fomentar el crecimiento de las plantas y mantener su desarrollo normal.

Publicidad

En plántulas de hortalizas como el pimiento, el tomate y el pepino, la combinación de las longitudes de onda de luz azul y roja también fomentó el crecimiento y mejoró la morfología de las plantas que fueron cultivadas utilizando únicamente luz artificial. La investigación realizada con una sola fuente de luz sugiere que las respuestas de las plantas a la calidad de luz dependen de cada especie (Cope and Bugbee, 2013; Hogewoning et al.,2010b; Nanya et al., 2012), y quizás este principio también sea aplicable a las plantas cultivadas bajo condiciones de invernadero con una sola fuente de iluminación. Se sabe que los pepinos son más sensibles a la calidad de luz y a los tratamientos de radiación que otros cultivos de invernadero, como los tomates y los pimientos (Hernández y Kubota, 2012; Trouwborst et al., 2010; Hemming et al., 2008).

Los objetivos de nuestro estudio fueron encontrar la calidad de luz suplementaria óptima utilizando lámparas de LEDs para cultivar trasplantes de pepino, así como identificar cualquier interacción que pudiese existir entre esta iluminación y el Integral de Luz Diaria (DLI), a fin de adoptar las lámparas de LEDs que produzcan la calidad de luz óptima en las áreas de producción bajo invernadero.

  1. Métodos y Materiales

Se sembraron semillas de pepino ‘Cumlaude’ de invernadero (Rijk Zwaan) en tacos de lana de roca (tamaño del tacos: 2.5 cm Largo×2.5 cm Ancho×4.0 cm Alto) (Grodan) y después fueron cubiertas con una capa de vermiculita. Las charolas sembradas se mantuvieron en la obscuridad durante 24 horas y se mantuvo la temperatura del sustrato a 28 ◦C. Los tacos fueron transferidos a cubos de lana de roca (tamaño del cubo: 7 cm Largo×7 cm Ancho×6.5 cm Altura) (Grodan) y después fueron llevados al invernadero.

El invernadero (Tucson, AZ, USA) fue protegido con una cubierta de acrílico de doble capa orientada de norte a sur, y se le equipó con un sistema de enfriamiento de pared húmeda; así como un sistema de nebulizaciones por debajo de las bancas y un sistema de calefacción que produce aire caliente por medio de gas natural. El piso del invernadero abarcaba un área de 108 m2, con la altura de la canaleta a 2.5-m y la altura de la cumbrera a 4.3-m. Después de que se expandieron los cotiledones de las plántulas, se seleccionaron las plántulas con los cotiledones más uniformes para someterlas a los tratamientos.  Las plantas se regaron por cintilla conforme lo iban necesitando, utilizando una solución nutritiva que contenía  (mg L−1) 90 N, 47 P, 144 K, 160 Ca, 60 Mg, 113 S, 105 Cl, así como micronutrientes.

2.2. Condiciones ambientales: Integral de luz diaria (DLI) solar, temperatura, humedad atmosférica.

El área del piso del invernadero se dividió en dos secciones de norte a sur. La parte superior del interior del invernadero (1.5 m por arriba de las bancas) y el costado de la mitad del invernadero (sección oeste) fueron cubiertas con dos capas de tela de sombreo (XLS55F Harmony revolux) cuya transmisión de luz de acuerdo con el fabricante, es del 55% (Ludvig Svensson Inc.). Se colocaron las dos capas de la tela de sombreo una sobre la otra, para lograr ∼25% de transmitancia de radiación y crear un ambiente donde hubiera un Integral de Luz solar Diaria (DLI) bajo. La otra mitad (sección este) del invernadero se dejó sin cubrir con la tela de sombreo para crear un Integral de Luz solar Diario (DLI) alto.

Los DLIs se registraron a diario a través del experimento utilizando un sensor cuántico (LI-190, LI-COR Inc., Lincoln, NE), colocado a una altura de 1.35 m desde el nivel de la banca, en medio de cada una de las secciones del invernadero, a fin de evitar la contaminación de la iluminación suplementaria.

Con el objeto de mantener temperaturas de aire similares entre los dos Integrales de Luz Diaria dentro del invernadero, se colocó una serie de ventiladores debajo de las bancas. Se utilizaron dos termocoples de cableado fino (tipo T, calibre 24, Omega Inc., Stamford, CT, EUA) (16 termocoples en todo el invernadero), para medir y registrar la temperatura del aire a 60 cm sobre el dosel vegetal y directamente por debajo de las hojas (temperatura del aire cerca del dosel), en todos los tratamientos. Se midió la humedad en el centro del invernadero utilizando un sensor de humedad  (HMP110, Vaisala Inc., Helsinki, Finlandia).

Se mantuvo la presión atmosférica mediante un sistema de nebulización (Orbit Irrigation Products Inc., Bountiful, UT, EUA) instalado en cada banca que dirigía las nebulizaciones al aire (las plantas no estuvieron en contacto con el agua de las nebulizaciones). Todos los sensores se conectaron a una bitácora electrónica  Datalogger CR-1000 con multiplexor (Campbell Scientific, Logan, UT, EUA) que escaneó cada minuto y registró las lecturas a intervalos de 10 minutos.

2.3. Fuente de Luz de LEDs

Las lámparas de LEDs (CCS Inc., Kyoto, Japan) utilizadas en este estudio cubrían un área de 35 cm × 34 cm y se construyeron con 24 LEDs de luz azul (con longitud de onda máxima de 455 nm y cobertura de ancho completo, a la mitad del nivel máximo (FWHM): 15 nm) y 510 LEDs de luz roja (con longitud de onda máxima de 661 nm, FWHM: 20 nm) y un controlador digital (ISC-101-4, CCS Inc., Kyoto, Japan) capaz de controlar la producción de LEDs azules y rojos de manera independiente.  Se montaron seis lámparas de LEDs en el invernadero, a 1.3 m por arriba de cada banca, radiando de manera uniforme seis áreas de cultivo de 0.3-m2.

Antes de empezar el experimento, medimos la distribución de luz y el Flujo de Fotones (PF) de todas las lámparas, utilizando un espectro-radiómetro (PAR-NIR, Apogee Instruments Inc., UT, EUA) para garantizar la calidad de luz y la consistencia de distribución entre las lámparas.

2.4 Iluminación Suplementaria

Se aplicaron tres proporciones diferentes de luz Azul: Roja (B:R) (0B:100R%, 4B:96R%, y 16B:84R%) mediante iluminación suplementaria con LEDs, bajo dos condiciones de Integral de Luz Diaria.

Los flujos de fotones (PF) de luz roja y azul fueron ajustados de manera independiente mediante el voltaje de entrada de LEDs azules y rojos utilizando el controlador. Los porcentajes de flujos de fotones de color azul (0,4 y 16%) se eligieron dentro del rango reportado con anterioridad en la literatura (PF azul 0–20%). Se midieron los flujos de fotones sobre la superficie de la banca, en cinco sitios del área de cultivo, utilizando un espectro-radiómetro (PAR-NIR, Apogee Instruments Inc., Logan, UT, EUA). De manera adicional, se incluyó un tratamiento de luz no-suplementaria (control) bajo ambas condiciones de DLI. A fin de obtener patrones de sombreo similares entre los tratamientos con LEDs y el tratamiento control, se instaló un tablero de triplay ficticio del mismo tamaño que los porta-lámparas de LEDs, sobre el tratamiento control. En total se tuvieron cuatro tratamientos dentro de las secciones del invernadero con los Integrales de Luz Diaria (DLIs) altos y bajos, separados por aproximadamente 3.3 metros entre sí, para evitar la contaminación de luz entre los tratamientos.

De manera adicional, se giraron todos los días y de manera sistemática cada una de las plantas del experimento dentro de la pequeña área de cultivo, a fin de garantizar que todas las plantas estuvieran expuestas a la luz.

La materia seca, la materia fresca y el número de hojas aumentaron al aplicar la luz suplementaria de LEDs, en comparación con el tratamiento control sin luz suplementaria. El incremento fue del 21%, 13% y 4% respectivamente, para las condiciones de DLI alto, así como del 32%, 22% y 10%, respectivamente para las condiciones del Integral de Luz Diaria bajo. La concentración de clorofila también aumentó mediante la adición de luz LED suplementaria, en comparación con el control, en 26% y 21% para las condiciones de los Integrales de Luz Diaria alto y bajo, respectivamente. No hubo diferencias significativas en el NPR y gs, entre los tratamientos con luz LED suplementaria bajo condiciones del DLI alto. Sin embargo, bajo condiciones de DLI bajo, el tratamiento de luz de LEDs tuvieron un 17% de NPR más alto y 38% más gs que el control.

Los parámetros morfológicos también mejoraron con la luz suplementaria. La longitud del hipocótilo y el epicótilo disminuyeron un 32% y un 12%, respectivamente bajo condiciones del Integral de Luz Diaria bajo, creadas por medio de la iluminación suplementaria. .

El diámetro del tallo y el área foliar aumentaron con la iluminación suplementaria en un 11% y un 8%, respectivamente, bajo condiciones del DLI alto y un 20% y 15%, respectivamente, bajo condiciones del DLI bajo.

3.3. Los efectos del porcentaje del flujo de fotones de la iluminación suplementaria con LEDs.

El crecimiento, el NPR, la concentración de clorofila y la morfología afectadas por las proporciones de Azul y Rojo (B:R), así como los resultados de las comparaciones bajo las mismas condiciones, entre cada tratamiento individual y el tratamiento control (sin iluminación suplementaria), se muestran en los Cuadros 5 y 6, respectivamente.

Bajo condiciones de DLI alto, la materia seca de los brotes para 0B:100R%, 4B:96R%, y 16B:84R% fue 21, 22, y 18% más alta que el control, en todos los casos. Los tratamientos 0B:100R%, 4B:96R%, y16B:84R% obtuvieron 14,11 y 12% más materia fresca de los brotes que el control. El número de hojas por planta del tratamiento 0B:100R% fue 7.4% mayor que el control. La concentración de clorofila en 0B:100R%, 4B:96R% y 16B:84R% fue 23, 23 y 28% mayor que el control, respectivamente. El NPR del tratamiento control no tuvo diferencias significativas contra ninguno de los tratamientos con luz Azul:Roja  (B:R).

La conductancia de los estomas en 0B:100R% fue 32% mayor que en el control. Bajo condiciones del Integral de Luz Diaria alto, el aumento del flujo de fotones de color azul no afectó de manera significativa la materia seca de los brotes, el número de hojas, la concentración de la clorofila, ni el NPR de los tratamientos con diferentes proporciones de luz Azul:Roja (B:R).

No obstante, gs mostró una tendencia a disminuir con el aumento del flujo de fotones (PF) de color azul.

Bajo condiciones de DLI bajo, la materia seca de los brotes para 0B:100R%,

4B:96R% y 16B:84R% fue 36, 33 y 27% más alta que para el control, respectivamente. El aumento del flujo de fotones (PF) de color azul en los tratamientos B:R, demostró tener poco efecto en la disminución de la materia seca, conforme al análisis de regresión (P = 0.0536). Los tratamientos 0B:100R%, 4B:96R% y 16B:84R%, tuvieron 24, 21 y 19% mayor cantidad de materia fresca de los brotes que el tratamiento control, y no hubo una respuesta lineal significativa proveniente del porcentaje del flujo de fotones (PF) de color azul.

El número de hojas por planta en el tratamiento 0B:100R% fue 12% mayor que el control y el número de hojas por planta disminuyó de manera significativa al aumentar el flujo de fotones (PF) de color azul en la proporción B:R. La concentración de la clorofila aumentó junto con el aumento de PF en los tratamientos con diferentes proporciones de luz Azul:Roja (B:R) y la concentración de clorofila para los tratamientos 0B:100R%, 4B:96R% y 16B:84R% fue 15, 24 y 27% mayor que el control, respectivamente.

Conclusión

En este estudio, los trasplantes de pepino tuvieron mejor morfología y mayor crecimiento con el uso de la luz de LEDs suplementaria, bajo condiciones de DLI alto y bajo. La iluminación suplementaria para los trasplantes de hortalizas en áreas donde el Integral de Luz solar Diaria es considerado alto, puede ser factible utilizando LEDs más eficientes.

Se requiere realizar más investigación comparando la iluminación suplementaria con LEDs y la tecnología actual que utiliza iluminación suplementaria con lámparas de alta presión de sodio (HPS), para medir las respuestas de las plantas, la eficiencia energética y el costo de capital.

Los trasplantes de pepino que crecieron bajo distintas proporciones del flujo de fotones Azul:Rojo no mostraron beneficios en cuanto al crecimiento y la morfología de los cultivos, al aumentar el flujo de fotones de color azul. Más aun, el pepino mostró una reducción en la materia seca, el número de hojas y el área foliar al aumentar el flujo de fotones de color azul, bajo condiciones de DLI bajo. En este estudio, el aumento en flujo de fotones (PF) de color azul no afectó el crecimiento de las plantas bajo condiciones de DLI alto, pero suprimió el crecimiento de las plantas bajo condiciones de DLI bajo.

Bajo condiciones de iluminación suplementaria con DLI en un rango de 5–16 mol m−2 d−1, el espectro solar satisface los requisitos de calidad de luz azul para los trasplantes de pepino, y la luz suplementaria roja es suficiente para fomentar el crecimiento de las plantas y mejorar su morfología. Los fabricantes de LEDs pueden aplicar estos resultados para desarrollar lámparas de iluminación suplementaria para invernaderos. Es preciso realizar más investigaciones para examinar el efecto post-trasplante de la iluminación suplementaria con LEDs en plántulas, bajo condiciones de cultivo a nivel comercial.