Introduzione
Il sole è la principale fonte di energia per lo sviluppo della biomassa e il funzionamento dei processi di vita sul nostro pianeta. L’energia del sole viene emessa sotto forma di radiazioni elettromagnetiche nello spazio e colpisce la terra con diverse lunghezze d’onda. L’occhio umano percepisce solitamente la luce nella gamma di lunghezze d’onda di 380-780 nanometri (nm). Come l’occhio umano ha una percezione e una sensibilità alla luce, anche le piante hanno la loro speciale curva di sensibilità per la fotosintesi. Le piante assorbono la porzione di luce nella gamma di lunghezze d’onda di 400-700 nm. La radiazione fotosinteticamente attiva è abbreviata in “PAR”.La crescita delle piante è guidata da tre processi che rispondono alla luce:
► Fotosintesi (metabolismo)
► Fotomorfogenesi (sviluppo della forma)
► Fotoperiodismo (reazione alla lunghezza del giorno)
Fotosintesi
Il più importante di questi processi è la fotosintesi: la base della crescita e dello sviluppo delle piante. Più semplicemente, è un processo che tutte le piante utilizzano per raccogliere l’energia dalla luce solare. Le piante immagazzinano l’energia raccolta sotto forma di carboidrati, in modo che la luce solare serva fondamentalmente come cibo per la pianta. La luce viene assorbita con l’aiuto del pigmento clorofilla.Le due clorofille più importanti sono i pigmenti clorofilla A e clorofilla B, oltre ad altri pigmenti ausiliari, come i carotenoidi. Come si vede nella Fig. 1 La clorofilla A assorbe la luce nelle lunghezze d’onda del blu e del rosso, con picchi di assorbimento a 430 nm e 662 nm. La luce verde e quella dell’estremo rosso, invece, sono poco o per nulla assorbite. La clorofilla B utilizza un intervallo simile, con picchi di assorbimento a circa 453 nm e 642 nm. I pigmenti ausiliari, come in questo caso il beta-carotene, utilizzano porzioni più piccole dello spettro luminoso con picchi di assorbimento a 400-500 nm.La clorofilla A è il pigmento principale per la conversione dellaCO2 in carboidrati. I pigmenti ausiliari trasferiscono l’energia assorbita alla clorofilla A, in realtà non fanno altro che ampliare lo spettro d’azione. Lo spettro d’azione è la curva di sensibilità della luce sulla fotosintesi delle piante. Per poter fare affermazioni precise sull’assorbimento della luce di diversi pigmenti, gli scienziati hanno intrapreso un complesso processo di misurazione utilizzando uno spettrofotometro in cui ogni lunghezza d’onda è stata testata per il tasso di assorbimento specifico. Il risultato dell’attività dei pigmenti principali e dei pigmenti ausiliari è mostrato graficamente nello spettro d’azione (Fig. 2).Confrontando lo spettro di azione (Fig. 2) con il corrispondente spettro di assorbimento della clorofilla A (Fig. 1), noterai che non corrispondono. Infatti, lo spettro di assorbimento porta a concludere che la fotosintesi è guidata principalmente dalla luce blu e rossa (e in misura minore dalla luce verde). Mentre lo spettro d’azione fotosintetico ci dirà dove la media di tutte le clorofille viene assorbita con maggiore intensità. Molte persone applicano erroneamente la curva dello spettro di assorbimento per determinare lo spettro di luce ottimale e pensano che si debbano usare principalmente solo il rosso e il blu. Questo non è esattamente vero, perché uno spettro luminoso più ampio è molto più efficace di uno spettro luminoso a banda stretta (ad esempio, solo blu e rosso). Soprattutto nell’ambiente interno, quando i singoli colori vengono emessi con intensità molto elevate, la pianta può raggiungere una saturazione della luce e solo una piccola parte di questa viene elaborata. Nelle serre, il blu e il rosso sono una buona aggiunta all’ampio spettro della luce solare.Fig. 1: Spettro di assorbimento della clorofilla A, B e del beta-carotene
Fig. 2: Spettro d’azione
Fotomorfogenesi
La fotomorfogenesi è l’influenza della luce sulla formazione delle piante. Una grande percentuale di luce nella gamma spettrale del blu porta alla crescita di piante corte e cespugliose con internodi corti. Al contrario, un’alta concentrazione di spettro rosso permette alle piante di crescere alte e con pochi rami laterali.Fotoperiodismo
Il fotoperiodismo è il fenomeno per cui le piante rispondono in modo diverso alla durata dei periodi di luce e di buio. Alcune piante inducono la fioritura solo quando la durata dell’esposizione giornaliera è inferiore a un valore critico (piante a giorno corto), mentre altre inducono la fioritura solo quando la luce giornaliera è superiore a questo valore critico (piante a giorno lungo). Il processo di fotoperiodismo è influenzato anche dalla lunghezza d’onda della luce. La luce rossa porta il fitocromo in forma attiva. La reazione attiva del fitocromo sveglia la pianta per avviare la fotosintesi e viene chiamata anche Pr (fitocromo rosso). La luce infrarossa innesca la reazione inattiva del fitocromo, chiamato anche Pfr (phytochrome far red). Nella forma inattiva Pfr, la pianta si addormenta. Durante il periodo di buio, la pianta si rigenera e sviluppa i fiori.Lo spettro fotosintetico
Alcune lunghezze d’onda e colori sono vitali per la pianta, mentre altre sopprimono la fotosintesi. La giusta combinazione di lunghezze d’onda nella tua lampada LED per la crescita è essenziale per una crescita sana e naturale delle piante. La maggior parte delle piante ha il tasso di fotosintesi più alto nello spettro della luce blu-viola, arancione, rossa e in minima parte nello spettro della luce verde. Luce UV
Invisibile all’uomo, la luce UV si divide in tre tipi: UV-A, UV-B e UV-C.Gli UV-A si trovano nella gamma di lunghezze d’onda di 315-400 nm e vengono trasmessi principalmente attraverso l’atmosfera prima di arrivare sulla terra. Per molto tempo i raggi UV-A non sono stati una chiave importante per la fotosintesi per gli scienziati1. Studi recenti hanno dimostrato gli effetti positivi dei raggi UV-A sulla crescita e sulla fioritura delle piante2,3. Ciò significa che i raggi al di fuori dello spettro PAR hanno un impatto sui processi fondamentali della fotosintesi.Quando usiamo il termine luce UV, spesso lo associamo ai raggi UV-B. Gli UV-B hanno una lunghezza d’onda compresa tra 290 e 315 nm e di solito sono filtrati dallo strato di ozono (quando è sufficientemente spesso). I raggi UV in genere causano problemi, sia per noi esseri umani che per le piante. Una quantità eccessiva di luce UV-B può inibire la crescita delle piante4e distruggere importanti acidi nucleici.5 La luce PAR e gli UV-A stimolano la produzione di cloroplasti (tra cui il betacarotene) per rafforzare il sistema di difesa contro lo stress e le malattie e fornire una certa protezione contro i raggi UV-B. Tuttavia, l’esposizione permanente ai raggi UV-B dovrebbe essere evitata in ogni caso.6Alcune specie di piante possono trarre beneficio dai raggi UV-B. Durante la fase di fioritura, la produzione di fiori potenti può essere accelerata7. A causa dei danni cellulari causati dai raggi UV-B, la pianta cerca di proteggere le cellule esposte aumentando la produzione di resina.Blu-Viola e Blu
La gamma di luce blu-viola e blu ha un’apertura alare di circa 400-520 nm. Le lunghezze d’onda nella regione del blu sono fondamentali per la fotosintesi.8 Più luce ricevono le piante dallo spettro blu-violetto e blu, più grandi saranno le foglie. Le lunghezze d’onda blu hanno un ruolo cruciale nello sviluppo dei cloroplasti.4 I cloroplasti sono le porzioni delle cellule fogliari che contengono clorofilla e svolgono la fotosintesi.La luce blu ha una serie di ruoli importanti nella fotomorfogenesi delle piante, tra cui la regolazione degli stomi9, il bilancio idrico e loscambio di CO2, lo sviluppo della forma naturale10 e il controllo del fototropismo11 (sensibilità alla luce).Verde
La regione centrale dello spettro visibile si estende dal verde a circa 520 nm e va verso il giallo fino a circa 600 nm. Si è ipotizzato che i colori verdi in quest’area siano leggermente o per nulla assorbiti dalla maggior parte delle piante. Gli scienziati hanno semplicemente affermato che le foglie sono verdi perché riflettono la luce verde. Questo è il motivo per cui la clorofilla ha un aspetto verde, che a sua volta conferisce alle foglie il colore verde. È stato completamente ignorato il fatto che i carotenoidi e altri pigmenti ausiliari assorbono la luce nella parte centrale dello spettro. Studi recenti hanno dimostrato che le piante assorbono la maggior parte della luce verde.12Rosso e lontano rosso
La luce rossa è la lunghezza d’onda più efficace per la fotosintesi4,7. La luce infrarossa viene utilizzata dalla pianta per individuare le piante concorrenti in base all’ombra.13Lo spettro del colore rosso si estende da 600 a 730 nm, mentre l’infrarosso inizia a 730 nm e termina a circa 1.400 nm. Sia la luce rossa che gli infrarossi influenzano la risposta del fitocromo e la trasformazione tra le forme attive e inattive (Pr e Pfr). Per una fotosintesi ottimale devono essere disponibili per la pianta sia il rosso che l’infrarosso.7Infatti, gli effetti della luce rossa sulla fotosintesi sono simili a quelli dello spettro della luce blu.8Fonti:
1 Caldwell M. (1971): La radiazione solare ultravioletta e la crescita e lo sviluppo delle piante superiori. In: Fotofisiologia. Academic Press, New York.
2 Yao X., Liu Q. (2006): Cambiamenti nelle risposte morfologiche, fotosintetiche e fisiologiche delle piantine di acero mono a un aumento dei raggi UV-B e all’aggiunta di azoto.
3 Barta C., Kalai T., Hideg K., Vass I. e Hideg E. (2004). Differenze nell’efficacia di generazione di ROS di varie lunghezze d’onda ultraviolette in foglie di spinaci staccate.
4 Zheng, J., Hu, M., & Guo, Y. (2008): Regolazione della fotosintesi in base alla qualità della luce e al suo meccanismo nelle piante.
5 Strid, A., Chow, W., & Anderson, J. (1994): Danno e protezione da UV-B a livello molecolare nelle piante.
6 Fernando J., Fernando H., António E., Maria Manuela A., Maria Paula Duarte & José C. Ramalho (2012): L’impatto dei raggi UV-B sulla fotosintesi – una panoramica.
7 Lydon, J., Teramura, A., RH, & Coffmann, C. (2008): Effetti delle radiazioni UV-B su fotosintesi, crescita e produzione di cannabioidi di due chemiotipi di Cannabis sativa.
8 Hogewoning, S., Trouwborst, H., Maljaars, H., Poorter, H., van Leperen, W. & Harbinson, J. (2010): Risposte alla dose di luce blu della fotosintesi fogliare, della morfologia e della composizione chimica del Cucumis sativus coltivato in diverse combinazioni di luce rossa e blu.
9 Schwartz, A. & Zeiger E. (1984): Energia metabolica per l’apertura stomatica. Ruolo della fotofosforilazione e della fosforilazione ossidativa.
10 Cosgrove, D. (1981): Soppressione rapida della crescita da parte della luce blu.
11 Blaauw e Blaauw-Jansen, (1970): Le risposte fototropiche dei coleottili di Avena.
12 Terashima I., et al (2009): La luce verde stimola la fotosintesi delle foglie in modo più efficiente della luce rossa in presenza di una forte luce bianca: Rivisitazione dell’enigmatica questione del perché le foglie sono verdi
13 Eskins, K., (1992): Effetti della qualità della luce sullo sviluppo dell’Arabidopsis. Regolazione del rosso, del blu e del rosso lontano della fioritura e della morfologia.