L’influenza dell’illuminazione sui metaboliti secondari nella coltivazione indoor

illuminazione led nella coltivazione

I metaboliti secondari sono composti chimici prodotti del metabolismo.

Non sono essenziali per la crescita della pianta, per il suo sviluppo o riproduzione. La funzione di questi composti in natura è essenzialmente come meccanismi di difesa contro predatori (animali erbivori, agenti patogeni, ecc.), per la competizione interspecifica o per facilitare i processi riproduttivi.
Sono metaboliti secondari vegetali anche molti composti impiegati dall’uomo come farmaci, quali ad esempio gli alcaloidi antitumorali vinblastina e vincristina, prodotti dalla vinca rosea (Catharanthus roseus). (fonte: Wikipedia)

La crescita e lo sviluppo delle piante, come la produzione di foglie, steli, radici e fiori sono il risultato di processi metabolici primari. I sottoprodotti della fotosintesi vengono trasportati in tutta la pianta e utilizzati nello sviluppo dei tessuti. Tuttavia, ci sono molti altri processi nelle piante come la colorazione, la difesa dai predatori e dalle infezioni, la promozione dell’impollinazione e le relazioni simbiotiche, l’adattamento alle condizioni ambientali come la luce e la temperatura. Questo è ciò a cui ci riferiamo come metabolismo secondario. Quando questi processi entrano in gioco, le risorse vengono sottratte dal metabolismo primario (crescita) e utilizzate per generare vari attributi cruciali per la qualità della coltura dal punto di vista del consumo umano.

Quando consumiamo le piante come cibo o medicine, molti di questi composti possono avere potenti effetti sulle funzioni corporee di base: alleviare i sintomi della malattia cronica, prevenire i tumori e fornire sollievo a problemi psicologici generali come ansia e stress. All’interno di ambienti controllati, possiamo influenzare questi meccanismi di difesa naturale nelle piante manipolando l’intensità della luce e la qualità della luce. È importante considerare che esiste un compromesso tra l’incentivazione della crescita delle piante (metabolismo primario) e l’aumento della produzione di metaboliti secondari che possono aumentare la qualità del raccolto.

In questo articolo, ci concentriamo sui metaboliti secondari (flavonoidi, terpeni, cannabinoidi e altri) che le piante producono in risposta a segnali ambientali, come influenzano la qualità del raccolto e cosa si può fare per sfruttare questi meccanismi.

Flavonoidi

Nelle piante, i flavonoidi svolgono principalmente la funzione di attrazione degli insetti (colori e pollini), lanciano segnali per la formazione di relazioni con microbi del suolo, rilasciano antiossidanti (che eliminano composti che possono causare photobleaching e inibizione della crescita) e fotoprotettivi (che dissipano lunghezze d’onda dannose per proteggere le cellule ).

Gli antociani sono una classe di flavonoidi visibile come una colorazione rosso-viola del tessuto fogliare. La lattuga a foglie rosse e le erbe contengono spesso quantità elevate di questi flavonoidi, che funzionano essenzialmente come crema solare per le piante.

Quando una superficie fogliare viene esposta a lunghezze d’onda blu (400-500 nm) o ultraviolette (300-400 nm) di un’intensità sufficientemente alta (diversa da specie a specie), il metabolismo secondario della pianta viene attivato per alcuni motivi. La luce blu e ultravioletta (UV) ha frequenze molto alte, il che significa che trasporta una quantità enorme di energia che può essere dannosa per varie funzioni cellulari all’interno della pianta. Al fine di proteggere entrambi questi tessuti dall’energia in entrata e di eliminare eventuali “radicali liberi” prodotti nella cellula, le piante produrranno antociani.

L’accumulo di antocianine in risposta alla luce blu o UV si accresce con l’aumentare dell’intensità della luce.

Alla fine, viene stabilito un equilibrio di fotoprotezione da antociani e cattura della luce da parte dei terpenoidi (clorofilla e carotenoidi). È importante ribadire il fatto che questo è un processo secondario della pianta, che sottrae energia alla crescita. Se l’intensità è sufficientemente elevata, è possibile osservare un cambiamento visibile nella colorazione delle colture. La luce verde (500-550 nm) può invertire molte funzioni in piante che sono altrimenti stimolate dall’esposizione alla luce blu. Troppa luce verde rispetto al blu può invertire completamente questa risposta. Una lattuga a foglia rossa cresciuta sotto un’alta percentuale di verde potrebbe non diventare affatto rossa. Quelli che crescono sotto le lampade HPS (che hanno una proporzione molto piccola di luce blu rispetto al verde, soprattutto se confrontati con apparecchi a LED ad ampio spettro) possono faticare a stimolare la produzione di antocianine nelle colture di insalata. L’incorporazione di un dispositivo che fornisce luce blu aggiuntiva non è in grado di stimolare la colorazione delle colture a meno che non ci sia molto più blu rispetto alla porzione di verde fornita dall’HPS. In questo caso, può essere utile modificare l’illuminazione della coltura appena prima del raccolto dopo che si è verificata la quantità desiderata di crescita. Questa pratica è indicata come trattamento leggero “di fine produzione” o EOP.

Una recente ricerca ha dimostrato un aumento della colorazione (da verde a rosso / rosso scuro) di quattro varietà di lattuga quando irradiate con 100 μmol / m2 / s da illuminazione a LED supplementare (rosso, blu e rapporto 1: 1) per 5 a 7 giorni prima della raccolta. La ricerca ha anche dimostrato che aumenti incrementali di intensità luminosa supplementare da 0 a 100 μmol / m2 / s hanno portato a un aumento della pigmentazione. Queste varietà sono state coltivate anche con lampade a scarica HPS (fornendo un ulteriore 70 μmol / m2 / s), tuttavia, questo trattamento EOP non si è dimostrato davvero efficace per la colorazione che il mercato richiede.

Insomma per aumentare la qualità delle colture è necessaria una sufficiente irradiazione di blu. Inoltre, per prevenire l’inibizione della crescita, questo tipo di illuminazione supplementare è più efficiente se usato come trattamento EOP.

Cannabinoidi

I cannabinoidi sono una classe di composti reperibili soltanto nella cannabis.

Questi olii resinosi sono prodotti all’interno dei tricomi durante il periodo di fioritura e si pensa che proteggano i fiori in via di sviluppo sia dagli insetti (trappola appiccicosa) sia dall calore in eccesso in condizioni solari mutevoli. Ci sono oltre un centinaio di diversi cannabinoidi tra cui il Δ9-tetraedrocannabinolo (THC), il cannabidiolo (CBD), il cannabigerolo (CBG), il cannabinolo (CBN) e molti altri.

CBG-A (la forma acida carbossilata di CBG) è il substrato precursore per la produzione di THC e CBD. Non produce la tipica marijuana “high”, ma alcuni ricercatori stanno valutando specifici effetti medicinali, come l’alleviamento dei sintomi da neuropatia, disturbi degenerativi del cervello, glaucoma, alcuni tumori e ansia. La maggior parte delle varietà di Cannabis sono state allevate per produrre elevate quantità di THC e / o CBD, lasciando basse concentrazioni di molti altri cannabinoidi che portano molte qualità medicinali.

A causa dell’attuale stato legale della Cannabis con la maggior parte dei governi federali, c’è pochissima ricerca accademica che indaga gli effetti di varie lunghezze d’onda e intensità sulla produzione di cannabinoidi. Il lavoro che è stato fatto è stato con cultivar di qualità inferiore rispetto a qualsiasi cosa sul mercato oggi. Tuttavia, è in corso una ricerca sempre più sottoposta a peer review sulla cannabis, e poiché le leggi cambiano, la ricerca sulla qualità verrà pubblicata in quest’area.

Sappiamo che la luce UV e forse anche la lunghezza d’onda breve(~ 400-420 nm) possono stimolare la produzione di cannabinoidi, anche se la produzione di questi metaboliti secondari si verificherà a prescindere e questo effetto è solo un “boost” in produzione piuttosto che un requisito. Non possiamo dire molto su quali lunghezze d’onda della luce si traducono in un aumento del contenuto di specifici cannabinoidi, tuttavia stiamo studiando gli effetti delle diverse lunghezze d’onda sui metaboliti secondari.

Foto-acclimatazione

Fintantoché l’anidride carbonica, l’acqua e le sostanze nutritive non limitano la crescita della pianta, un’intensità luminosa più elevata comporterà una crescita più rapida e una maggiore produzione di metaboliti secondari. Tuttavia, un’intensità luminosa troppo elevata può essere dannosa per le cellule, specialmente nelle specie sensibili, producendo radicali liberi come il perossido di idrogeno. In superficie, si potrebbe notare questo effetto come foto-bleaching (macchie da marrone chiaro a bianco sulle foglie) se la pianta non è foto-acclimatata a quell’intensità.

Molti coltivatori notano questo problema quando trasferiscono piante da una propagazione di piantine o da una fase di radicazione in cui l’intensità della luce è bassa, in una fase altamente produttiva ad alta intensità luminosa. Come parte del processo di foto-acclimatazione, specie altamente produttive o in rapida crescita probabilmente accumuleranno più clorofilla per raccogliere più luce. Se l’intensità è troppo alta, la produzione di vari carotenoidi viene aumentata per proteggere i centri di reazione fotosintetici e dissipare un po ‘di luce.

Questo è il motivo per cui l’aumento dell’intensità della luce può avere rendimenti decrescenti, poiché più luce viene dissipata in risposta a maggiore intensità luminosa. Per illuminare in modo produttivo le tue piante con una foto-incisione minima o nulla (che inibisce la crescita), è preferibile aumentare in modo incrementale l’intensità della luce o utilizzare un telo ombreggiante per una settimana o due. L’acclimatazione delle piante a intensità luminose più elevate può essere ottenuta utilizzando luci dimmerabili dopo aver determinato quale sarà la PPFD desiderata (in base alla capacità e alle specie del dispositivo) e creando una serie di aumenti incrementali di intensità (iniziando leggermente al di sopra dell’intensità di propagazione) nel tempo.

Un modo meno sofisticato per ottenere lo stesso risultato (se le luci non sono regolabili) richiederebbe di iniziare con la distanza di separazione della lampada-pianta molto più grande di quanto desiderato e quindi spostare lentamente la lampada più vicino alle piante (o viceversa).

Come accennato in precedenza, gli antociani possono accumularsi in foglie di molte specie in risposta a luce blu o UV di intensità sufficiente. Un meccanismo simile protegge il frutto di alcune colture come pomodori e peperoni. Quando si coltivano peperoni verdi, si può notare che alcune superfici di frutta esposte a più luce presentano chiazze di colorazione giallo-arancione. Questo accumulo di carotenoidi fotoprotettivi previene il danneggiamento del frutto. Il licopene, un carotenoide da arancio a rosso, svolge un ruolo simile nei frutti di pomodoro. Proprio come la maggior parte degli altri metaboliti secondari indotti dalla luce, la produzione di questi carotenoidi avviene ad un ritmo più veloce con l’aumentare dell’intensità della luce.

Conclusioni sull’illuminazione delle piante indoor

Sappiamo che la proporzione delle lunghezze d’onda fornite alle piante e l’intensità dell’illuminazione cambiano completamente i risultati fotomorfogeni e le concentrazioni fitochimiche (metaboliti secondari).

L’aumento dell’intensità della luce induce la produzione di vari metaboliti secondari nelle piante come forma di protezione. La luce blu e UV hanno la più potente influenza sul metabolismo secondario rispetto ad altre lunghezze d’onda. Dal punto di vista della produzione, questi metaboliti spesso migliorano la qualità del prodotto sia per i suoi benefici medicinali negli esseri umani che per gli effetti coloranti del raccolto. Questo differisce a seconda della genetica in gioco con molta variabilità tra le specie. Alcune specie sono più tolleranti a questa risposta e richiedono intensità luminose più elevate per mostrare qualsiasi risposta mentre altre no.

Un metodo comprovato per “ottenere il meglio da entrambi i mondi” consiste nell’utilizzare un trattamento EOP in cui le piante crescono e si sviluppano in condizioni ottimali per il metabolismo primario (ampio spettro) e vengono quindi trasferite sotto un metabolismo secondario che promuove il trattamento leggero (intensità maggiore o lunghezze d’onda specifiche) prima del raccolto, dopo che si è verificata la maggior parte della crescita. Nel complesso, l’aspetto più importante da ricordare è che il metabolismo secondario sottrae le risorse alla crescita delle piante. Quando selezioni o apporti modifiche al tuo sistema di illuminazione, considera queste risposte innate per garantire che il tuo sistema sia ottimale per le specie e il mercato in cui ti trovi.

Fonte: www.fluencecorp.com

 

 

 

 

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