La estimulación de la fotosíntesis es una estrategia para lograr una producción vegetal sostenible. La luz roja es útil para el crecimiento de las plantas porque es absorbida por los pigmentos de clorofila, que inician procesos fotosintéticos naturales. Además de la utilización de estrategias de iluminación artificial suplementaria para potenciar este tipo de luz, los materiales de conversión de longitud de onda ultravioleta (UV) a rojo son candidatos realmente prometedores para su uso en cultivos ecológicos en invernaderos que no requieran el uso de energía eléctrica.
Un equipo interdisciplinar de los departamentos de Ingeniería y Agricultura de la Universidad de Hokkaido y del Instituto de Diseño y Descubrimiento de Reacciones Químicas (WPI-ICReDD) ha desarrollado un recubrimiento de película fina a base de europio que, según han demostrado, acelera el crecimiento de plantas y árboles, al aprovechar también la luz UV proveniente del sol convirtiéndola en luz roja aprovechable en la fotosíntesis.
Esta tecnología puede mejorar la velocidad de producción de las plantas en instalación de invernadero sin el uso de energía eléctrica adicional, teniendo, por tanto, el potencial de ayudar a resolver los problemas de suministro de alimentos a nivel mundial de forma sostenible.
Estimulación de la fotosíntesis con luz roja
Estimular la fotosíntesis es una estrategia prometedora para acelerar el crecimiento de las plantas y la producción de biomasa. En la etapa inicial de la fotosíntesis, los pigmentos de la clorofila absorben la luz solar y utilizan la energía de fotones solares para la producción de biorecursos. En particular, las plantas terrestres contienen los pigmentos clorofila-a y b en las antenas captadoras de luz y los aparatos del centro de reacción, que absorben la luz visible en las regiones del rojo (banda Qy: 600–700 nm) y azul (banda Soret: 400–450 nm).
Por tanto, el color de la luz también afecta al crecimiento, la productividad, la morfología y la fisiología de la planta. Los espectros de acción fotosintética han revelado que la luz roja de excitación en la banda Qy proporciona el mayor rendimiento cuántico fotosintético.
Además de la luz visible, la luz solar también contiene luz ultravioleta (UV), que se encuentra en la región de longitud de onda de alta energía (200-400 nm). Varias plantas responden a la luz UV. En particular, la luz UV-A (320-400 nm) afecta no solo a la fotoinhibición del fotosistema, sino también al aumento de la velocidad fotosintética. Se sabe que los rayos UV-B (295-320 nm) inducen el daño del ADN. Por lo tanto, sombrear las plantas de la luz UV solar es una de las estrategias claves para suprimir la fotoinhibición y los fotodaños en los cultivos. Es por ello que las películas de recubrimiento de plástico utilizadas en los invernaderos contienen materiales que bloquean los rayos UV, convirtiendo esta luz UV en energía térmica.
El uso de materiales de conversión de la longitud de onda de la luz podría ser una estrategia realmente ventajosa para filtrar la luz UV solar y proporcionar luz roja para una fotosíntesis eficiente en estas instalaciones, sin el uso de iluminación artificial.
Los investigadores se propusieron comprobar la efectividad de esta aproximación, demostrando por primera vez la aceleración del crecimiento de las plantas utilizando un nuevo material de conversión de la longitud de onda de UV a Rojo en condiciones de invernadero.
Para ellos, desarrollaron un material basado en un complejo de europio (EU 3+) y fabricaron un recubrimiento de película fina que puede aplicarse en láminas de plástico disponibles en el mercado. Los resultados, publicados recientemente en Scientific Reports de Nature, mostraron que no solo la película es capaz de convertir la luz ultravioleta en luz roja, sino que también la película no bloquea ninguna de las longitudes de onda de luz visible beneficiosas para las fotosíntesis procedentes del sol.
Para comprobar la efectividad del material, los investigadores probaron la película comparando el crecimiento de las plantas utilizando láminas con y sin el revestimiento. Los ensayos se realizaron tanto con acelgas como en árboles alerces japoneses, una familia de las pináceas.
En verano, cuando los días son largos y la irradiación solar es fuerte, no se observó ninguna diferencia significativa para las acelgas al utilizar las láminas recubiertas de Eu3+. Sin embargo, en invierno, cuando los días son más cortos y la luz solar es más débil, las plantas de acelga cultivadas con las películas mostraron una altura de planta 1,2 veces mayor y una biomasa 1,4 veces mayor después de 63 días. Los investigadores atribuyeron este crecimiento acelerado al mayor suministro de luz roja que proporcionaban las películas de conversión.
Los ensayos con alerces japoneses también mostraron un crecimiento acelerado. Las plántulas mostraron una mayor tasa de crecimiento relativo en los primeros 4 meses de crecimiento, lo que dio como resultado un diámetro de tallo 1,2 veces mayor y una biomasa total 1,4 veces mayor que los árboles cultivados sin el recubrimiento. Esto permitió que las plántulas alcanzaran el tamaño estándar para la plantación en la silvicultura de Hokkaido en un año. El uso de películas de recubrimiento podría acortar el periodo de crecimiento de las plántulas de dos a un año, lo que daría lugar a una producción de plantas más rentable.
Esta tecnología también puede contribuir a la seguridad alimentaria en climas fríos y es beneficiosa porque no requiere electricidad para funcionar. Los investigadores consideran especialmente prometedora la posibilidad de personalizar la tecnología.
“Utilizando un recubrimiento de material que cambia la longitud de onda, pudimos crear con éxito una película transparente y demostrar su capacidad para acelerar el crecimiento de las plantas. Diseñando racionalmente el ion emisor de luz, podemos controlar libremente el color de la luz emitida para que sea de otros colores como el verde o el amarillo, por lo que esperamos poder crear películas de conversión de longitud de onda optimizadas para diferentes tipos de plantas. Esto abre una gran vía de desarrollo futuro para la ingeniería agrícola y forestal de próxima generación”, explica el autor principal de la investigación, Sunao Shoji.
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