Respuesta de plántulas de tomate a luces LED

Por Dr. Ricardo Hernández y Dra. Chieri Kubota, Departamento de Ciencias Vegetales, Universidad de Arizona, EUA

La iluminación complementaria en invernaderos se utiliza en áreas geográficas y en estaciones del año en las que la luz solar es un factor limitante para la producción.

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Los trasplantes de hortalizas como las plántulas de pimiento y pepino muestran mayor crecimiento y mejor calidad cuando la radiación fotosintéticamente activa es complementada con lámparas de sodio a alta presión (HPS) convencionales. Las nuevas lámparas de diodos emisores de luz de alta intensidad (LED) son una alternativa potencial a la tecnología de iluminación actual debido a su larga vida funcional, baja temperatura de operación, bajo consumo de energía y al rango selectivo del espectro que emiten.el dr r hernandez univ of arizona

Sin embargo, antes de ser introducida al mercado de los invernaderos comerciales, esta tecnología debe ser evaluada por lo que se refiere a factibilidad económica, facilidad de colocación de las lámparas dentro del dosel vegetal/ invernadero, intensidad de la radiancia y calidad del espectro requerido para el crecimiento vegetal.

Los dos rangos de longitudes de onda que han sido ampliamente aceptados son el rojo (600 a 700 nm) y el azul (400 a 500 nm). Por lo general, se recomienda añadir luz azul para mantener la morfología de las plantas y aumentar al máximo el crecimiento vegetal.

En contraste, se ha realizado muy poca investigación sobre los requisitos de la calidad de la luz LED al ser utilizada en invernaderos como complemento al espectro PAR de luz solar, (400-700 nm), la cual contiene alrededor de 31% de azul sobre la base energética (400-500 nm). De manera típica, los viveros bajo invernadero en Norteamérica para plántulas de hortalizas utilizan iluminación complementaria durante —18 horas al día; desde media noche hasta después del amanecer. Siguiendo esta práctica convencional de fotoperiodo e intensidad, hemos examinado las cualidades de luz LED roja y azul a distintas proporciones.

A fin de probar la hipótesis de que el requisito de la calidad de luz pueda verse afectado por los niveles del Integral de Luz Diaria (DLI), diseñamos el experimento para comparar las respuestas de las plantas a las calidades de luz, bajo dos niveles diferentes de DLI, creados dentro del invernadero por medio de malla sombra.

Material vegetativo y condiciones de crecimiento

Utilizamos el cultivar ‘Komeett’ de tomate en el experimento.

Las semillas se colocaron en una cámara de crecimiento oscura, sobre papel filtro humedecido, dentro de una caja petri, a 29°C durante 2 días, hasta la emergencia de la radícula.

Las semillas germinadas fueron transferidas a una charola de plántulas de 98 celdas, llenas con un substrato comercial. Las charolas se colocaron dentro del invernadero ubicado en Tucson, Arizona, EUA, cubierto por una capa doble de acrílico.

Las temperaturas de día y noche fuero 25.4±0.4 y23.1±0.4°C respectivamente controladas por un sistema de enfriamiento evaporativo de pared húmeda.

El invernadero se dividió en dos subcompartimientos norte-sur para crear diferentes niveles de DLI (Integral de Luz Diaria, por sus siglas en inglés) de 8.9±0.9 mol m-2 d-1 (DLI bajo) en una mitad, y 19.4±1.9 mol m-2 d-1 (DLI alto) en la otra mitad, utilizando mallas sombra.

Se ajustaron tres tratamientos de calidad de luz y un control “sin luz” en ambos lados. Los tres tratamientos consistieron en:

1) 100% roja:0% azul,

2) 96% roja:4% azul, y

3) 84% roja:16% azul.

 

Todos los tratamientos con LED proporcionan la misma radiancia de 55.5±1.4 μmol m-2 s-1, como flujo de fotones fotosintéticos (PPF) sobre el dosel vegetal (fotoperiodo de 18-h, de las 2:00 a las 20:00 HR) desde 8 días (expansión del cotiledón) hasta 19 días (segunda etapa de hoja verdadera).

Esto aumentó el DLI promedio en 3.6 mol m-2 d-1, en ambos lados del invernadero.

plantula de tomateMediciones en las plantas

Un día antes de que se realizaran las mediciones destructivas en las plantas (18 días después de la siembra, cuando las plantas alcanzaron la etapa de la segunda hoja verdadera), se realizaron mediciones de fotosíntesis con un sistema portátil de fotosíntesis con 1000 μmol m-2 s-1 PPF (lámpara de halógeno, bajo temperatura de invernadero 25±2°C y concentración ambiental de CO2.

Después de las mediciones de fotosíntesis, se practicaron escisiones en las partes aéreas de las plantas (brotes) desde la base, para registrar el número de hojas (longitud de hoja >1 cm), longitud del hipocotíleo, diámetro del tallo y área de las hojas. Los brotes fueron procesados para extraerles la clorofila, o fueron deshidratados a 80°C durante al menos 48 horas para obtener la masa seca de los brotes.

Diseño experimental y análisis de datos

Las secciones centrales de las charolas de 98 celdas se dividieron en 8 secciones pequeñas con 9 celdas (una unidad experimental).

El tratamiento consistió en 8 unidades experimentales con 9 plantas por unidad experimental.

Se agruparon cuatro unidades experimentales formando un bloque (dos bloques por tratamiento).

En cada bloque se mezclaron las cuatro unidades experimentales para reducir al mínimo el efecto del lugar dentro de la charola.

Asimismo, se cambió la ubicación de los tres tratamientos con LED y el control, dentro del mismo invernadero, para mejorar la uniformidad de las condiciones ambientales a las cuales estuvieron expuestas las plantas de cada tratamiento.

Se realizó un análisis de varianza (P=0.05) para identificar cualquier diferencia entre los tratamientos, considerando las 9 secciones de celdas como una unidad experimental (n=8).

Desempeño de las plántulasluces LED en plantulas de tomate

El número de hojas no mostró ninguna diferencia entre los tratamientos, incluyendo el control (sin LED), bajo condiciones de DLI alto (P=0.391) y DLI bajo (P=0.215).

Los tratamientos LED mostraron un aumento en la masa seca de los brotes comparados con el control bajo condiciones de DLI baja (55-57%) (P=0.001) y no hubo diferencias significativas en comparación con el control bajo condiciones de DLI alta (P=0.657). No se detectaron diferencias entre los tratamientos LED.

No se encontraron diferencias en la longitud del hipocotíleo, en comparación con el control con DLI alta (P=0.093) y DLI baja (P=0.063).

No se presentaron diferencias significativas en la longitud del hipocotíleo entre los tratamientos LED. El diámetro del tallo con DLI alta no produjo ninguna diferencia entre los tratamientos y el control (P=0.569).

En contraste, los tratamientos LED con DLI baja mostraron un incremento (18-19%) en el diámetro del tallo, comparado con el control (P<0.0001). No hubo diferencias significativas en el diámetro del tallo entre los tratamientos LED con DLI baja. El área foliar no mostró ninguna diferencia estadística entre los tratamientos y el control, bajo condiciones de DLI alta (P=0.993) y DLI baja (P=0.232).

La concentración de clorofila mostró un incremento bajo los tratamientos con luz LED 100% roja: 0% azul y 96% roja: 4% azul; en comparación con el control sin luz, (20 y 24% respectivamente); así como los tratamientos 100% roja: 0% azul mostraron un incremento (13%) en comparación con el tratamiento de luz 84% roja, 16% azul bajo DLI (P=0.0002).

Con DLI bajo, la concentración de clorofila mostró un incremento (17-21%) con las luces LED, en comparación con el control (P=0.0004).

No se detectaron diferencias significativas entre los tratamientos LED bajo condiciones de DLI bajo. No se encontraron diferencias significativas entre los tratamientos, incluyendo el grupo control respecto a NPR bajo condiciones de DLI alto (P=0.703) y baja (P=0.630).

Estudios sobre la luz azul

La investigación realizada sobre los requerimientos de luz en diferentes cultivos ha demostrado la necesidad de luz azul para que las plantas se desarrollen de manera normal. Más recientemente, la investigación ha demostrado la eficacia de añadir luz azul para aumentar el crecimiento y la tasa fotosintética neta en plántulas de tomate cherry .

Mochizuki et al. (2004) demostraron que se requirió una cantidad mínima de luz azul (5 μmol m-2 s-1) para producir la proteína D2 del sistema PSII en Arabidopsis. Asimismo, Hogewoning et al. (2010a) determinaron que los trastornos fisiológicos foliares en los pepinos ocasionados por el uso de únicamente luz roja, fueron eliminados al añadir 7% de luz azul (7 μmol m-2 s-1).

Sin embargo, no se han confirmado los requerimientos de la calidad de luz complementaria en invernaderos bajo radiación solar.

Si las plantas de tomate también requieren una cantidad mínima de luz azul para desarrollarse normalmente, el 25% de luz azul (unidades de flujo de fotones), conforme a los datos medidos en Tucson, AZ, EUA; satisface con toda certeza el umbral cualitativo para el desarrollo normal de las plantas.

DLI solar satisface la demanda de luz de las plantas

Los resultados de este estudio preliminar demostraron que el crecimiento de las plántulas de tomate, la morfología y la fotosíntesis no cambiaron al añadir Luz LED azul, en cualquier % de luz azul, contra el 100% de luz LED roja.

Esto sugiere que la DLI solar satisface los requerimientos de luz azul de las plántulas de tomate. Este estudio preliminar es el primero en reportar que la LED roja complementaria es suficiente para las plántulas de tomate y que no se requiere luz azul adicional, sin importar cual sea el nivel de DLI, siempre que se cultive utilizando la luz solar de trasfondo.

En este estudio, las plantas que crecen bajo iluminación complementaria fueron expuestas a esa calidad de luz como fuente única durante parte del día. La duración de ese periodo con luz LED como única fuente de luz fue de aproximadamente 4 horas antes del amanecer y 20-30 minutos después del crepúsculo.

Por lo tanto, el requisito de luz azul, con respecto a la fotosíntesis y morfología de las plantas, debe ser evaluado más a fondo en el futuro, utilizando diferentes patrones de iluminación.

Asimismo, la investigación reciente ha demostrado el impacto cuantitativo de la luz azul en las plantas. Hogewoning et al. (2010a) demostraron el incremento en la tasa fotosintética máxima (Amax), al aumentar el porcentaje de luz azul hasta el 50% en plantas de pepino. Este trabajo también ha demostrado que el incremento en la tasa fotosintética máxima (Amax) estuvo asociado con un incremento en el área de masa foliar (LMA).

En otras palabras, Hogewoning et al. (2010a) encontraron un incremento en AMAX y LMA al variar el porcentaje de luz azul y mantener constante la radiancia. Asimismo, encontraron menor tasa fotosintética máxima por unidad de área de masa foliar, en plantas cultivadas bajo 5% de luz azul, comparadas con plantas que crecieron bajo 23 y 18% de luz azul. Adicionalmente, mencionaron en su reporte que las respuestas a los porcentajes de luz solar mayores a 22% fueron similares a las respuestas de las hojas ante la radiancia elevada.

Asimismo, más recientemente, Liu et al. (2011) demostraron que un tratamiento LED 100% azul en plántulas de tomate cherry dio como resultado un incremento en la masa seca, en comparación con el tratamiento 100% de LED roja.

Por lo tanto, sería importante examinar en un trabajo de investigación en el futuro, un tratamiento de luz LED azul en un porcentaje extremadamente elevado. Asimismo, la eficiencia de la luz LED azul está mejorando con rapidez debido a la demanda de LEDs que emitan luz blanca y es muy evidente que la luz LED azul excederá con rapidez la eficiencia de la luz LED roja.

La decisión sobre la calidad de luz complementaria no se debe tomar únicamente con base en las respuestas de las plantas, sino en los ahorros de energía y los costos generales de las operaciones en el future.

Conclusión de estudio

Las plántulas de tomate cultivadas con iluminación LED complementaria a diferentes proporciones no mostraron diferencias en el crecimiento y la morfología, sin importar cuál fue el nivel de DLI de trasfondo.

Se ha postulado que la luz solar de trasfondo satisface los requerimientos cualitativos y cuantitativos de luz azul. Este estudio preliminar es el primero en reportar que la luz LED roja es suficiente como fuente de iluminación complementaria y que no se requiere luz azul complementaria para la producción de plántulas
de tomate.