El tomate es uno de los cultivos vegetales más importantes producidos en el mundo, especialmente en el área mediterránea, donde representa un componente fundamental de la cocina tradicional. La producción mundial de tomate ha estado creciendo a lo largo de los últimos años hasta 182 millones de toneladas en 2018 (FAO). Este incremento está relacionado con una expansión de la industria vegetal de invernadero y la innovación en tecnologías de cultivo (por ejemplo, injerto, hidroponía), que han dado lugar a aumentos de rendimientos en su producción. 

El uso de instalaciones de invernadero de alta tecnología para el cultivo de vegetales se está extendiendo, permitiendo una producción fuera de temporada, mayores rendimientos, mejora de la calidad del producto y una mejor gestión y control. Sin embargo, también pueden ocurrir inconvenientes asociados con la exposición inadecuada a la luz y el sombreado mutuo, convirtiéndose en factor limitante, especialmente en lo que respecta a la parte inferior del dosel. Se ha demostrado que en invernaderos, una reducción del 1% de la luz integral diaria (DLI) puede causar una reducción del 1% en los rendimientos de frutas y hortalizas (por ejemplo, pepino, tomate y pimiento dulce). Es por ello que el tener una iluminación suplementaria se vuelve fundamental en estos entornos. Mientras que en el norte de Europa, el uso de la iluminación LED es ampliamente adoptada, el uso de la iluminación artificial en los invernaderos mediterráneos todavía es limitado. 

Un reciente estudio realizado por investigadores de la Universidad de Bolonia ha evaluado la iluminación LED suplementaria en el desarrollo morfológico de las plantas, así como el rendimiento y calidad de los frutos en un invernadero de tomates de alambre alto ubicado en el norte de Italia. El objetivo de la investigación fue evaluar la viabilidad de una tecnología de iluminación suplementaria optimizada para la producción de cultivos de tomate en la región mediterránea.

Iluminación LED suplementaria para el cultivo de tomates

El experimento tuvo lugar en el invernadero hidropónico de alambre alto de la empresa iPOM Pellerossa, ubicado en Mezzolara di Budrio, Bolonia. El mismo dispone de sistemas de ventilación natural y artificial mediante ventiladores horizontales para la circulación del aire. Además, utiliza el flujo residual de agua caliente procedente de una planta de biogás adyacente para mantener la temperatura adecuada en los meses más fríos. Se utiliza un sistema de riego por goteo controlado por computadora con ciclo cerrado para fertirtir las plantas.

Para evaluar la idoneidad de la iluminación artificial se aplicaron dos regímenes de iluminación: un régimen de control donde los tomates se cultivan en condiciones de luz natural, y un segundo régimen LED, donde las plantas también recibieron iluminación suplementaria LED. 

Esta iluminación suplementaria fue dispuesta dentro del dosel de la planta (interiluminación, ver imagen adjunta). Este tipo de iluminación, a diferencia de la iluminación proporcionada desde debajo del dosel, puede inducir a un mayor aumento en el contenido sólido soluble en frutas debido a una mayor exposición a la luz suplementaria directa a la fruta.

El sistema de interiluminación se diseñó a modo de bloque de tiras con diodos rojos (R, longitud de onda máxima: 666 nm; ancho de banda a media altura máxima: 24 nm) y azules (B, longitud de onda máxima: 462 nm; ancho de banda a media altura máxima: 27 nm), emitiendo un espectro caracterizado por una relación rojo:azul (RB) de 3 y suministrando una densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) de de 170 μmol m−2 s−1 a 30 cm de distancia durante 16 horas al día. 

El experimento se dividió en dos estaciones: desde el 11 de marzo de 2019 hasta el 21 de junio de 2019 (temporada de primavera) y desde el 22 de junio de 2019 hasta el 23 de septiembre de 2019 (temporada de verano).

Resultados: crecimiento vegetativo en respuesta a la iluminación suplementaria

Los investigadores midieron la longitud del entrenudo y el diámetro del tallo tanto en la temporada de primavera como en la de verano. ​Los resultados que se obtuvieron fueron los siguientes: 

• La interiluminación LED suplementaria influyó en la longitud del entrenudo, con una reducción en las plantas tratadas con LED en un 6% en primavera y un 12% en verano en comparación con las plantas de control. Este efecto empequeñecedor de la iluminación suplementaria LED en la longitud del entrenudo ya se observó en plantas de tomate y pepino en investigaciones anteriores, como resultado de una mayor distribución de luz dentro del dosel de las plantas que permite una mayor absorción de la luz. 
• También el diámetro del tallo fue influenciado por la interiluminación LED tanto en la temporada de primavera como en la temporada de verano, con mayores valores (+8% y +17%, respectivamente, en la temporada de primavera y verano) en plantas tratadas con LED en comparación con las plantas de control.
• Del mismo modo, el diámetro de “cuello” de las plantas tratadas con LED se mejoró en un +23% y un +25% en la temporada de primavera y verano, respectivamente, en comparación con las plantas de control. 
• Además, de manera similar a los hallazgos de estudios anteriores no se detectaron diferencias estadísticamente significativas entre las plantas tratadas y de control con LED para el ancho de la hoja (valor medio de 11,7 cm) y la longitud de la hoja (valor medio de 24 cm) en la presente investigación

Resultados: efectos de la interiluminación LED en parámetros fisiológicos

Varias investigaciones anteriores, a lo largo de la última década, han estudiado los efectos de una iluminación LED suplementaria en los parámetros fisiológicos específicos del cultivo de tomate, obteniendo mayores valores de fotosíntesis, transpiración, conductancia estomática y contenido de clorofila foliar en plantas expuestas a luz artificial suplementaria. 

En este caso, los investigadores se encontraron con los siguientes resultados:

• Un mayor contenido de clorofila en hojas estimado por el medidor de clorofila (+15,5%) en plantas cultivadas con luz LED suplementaria. 
• Tanto la conductancia estomática como la temperatura de las hojas se vieron afectadas por los tratamientos de iluminación. En​ consecuencia, la conductancia estomática en plantas tratadas con LED resultó aproximadamente tres veces mayor en comparación con las plantas de control. En condiciones de control, la radiación limitada dentro del dosel puede haber inducido el cierre estomático y una disminución de la actividad fotosintética 
• Por el contrario, la interiluminación LED suplementaria fomenta la absorción de CO2 y, en consecuencia, la fotosíntesis al promover la conductancia estomática, como se observó anteriormente en el tomate y el pepino.
• Sin embargo, en la presente investigación, una mayor conductancia estomática de las plantas tratadas con LED se acompañó de una temperatura foliar más alta en comparación con las plantas de control, posiblemente en respuesta al calor liberado por las lámparas LED, que en última instancia puede alterar la temperatura ambiental alrededor del dosel medio como consecuencia de la irradiancia directa. El aumento de la temperatura a nivel de dosel en los rangos observados (por ejemplo, de 16,6 a 18 °C) también podría haber sido beneficioso para las plantas, mientras que se debe investigar más a fondo si el calor liberado por las lámparas durante los meses más cálidos puede afectar finalmente el rendimiento de las mismas.

Las diferencias en los rasgos morfológicos y fisiológicos observadas entre los regímenes de iluminación son el resultado de la acción de los fotorreceptores, proteínas que inician las respuestas de las plantas a la luz.  En consecuencia, las plantas reaccionan a las variaciones en las condiciones de iluminación ambiental (por ejemplo, composición espectral, intensidad de luz y fotoperíodo) convirtiendo la señal de luz en respuestas bioquímicas, lo que puede resultar en cambios en la morfología y fisiología de las plantas. Además, los fotorreceptores también están presentes en las frutas de tomate y pueden afectar el desarrollo y la maduración de la fruta como se describe a continuación.

Resultados: la iluminación LED mejora el crecimiento de la fruta y los parámetros de rendimiento

Los investigadores monitorizaron la tasa de crecimiento de la fruta midiendo el diámetro longitudinal y transversal del fruto durante la temporada de primavera y verano hasta el momento de la cosecha. Los resultados que obtuvieron fueron los siguientes

• Obtención de frutos más grandes en plantas tratadas con LED en comparación con las que reciben radiación solar única. En la cosecha, los diámetros longitudinales y transversales aumentaron en un 14 % y 13 %, respectivamente, durante la primavera y en un 5 % y 6 % durante el verano. Al parecer, la interiluminación LED mejoró la distribución de la luz dentro del dosel, lo que en última instancia puede haber influido positivamente en el crecimiento de los frutos de tomate, especialmente durante la temporada de primavera, cuando la ocurrencia relativa de días con menor radiación fue mayor que en verano.

• El tiempo de maduración de las frutas también estuvo influenciado por la iluminación suplementaria LED, lo que resultó en un crecimiento y maduración más rápidos de la fruta en las plantas tratadas con LED. El 29 de abril, cuando el 91% de los frutos de las plantas tratadas con LED estaban listos para cosechar (colores naranja oscuro y rojo), solo el 73% de los frutos de las plantas de control estaban en la misma etapa de maduración. El efecto también fue evidente durante la temporada de verano, en la que todos los frutos de las plantas tratadas con LED se cosecharon dos semanas antes en comparación con las plantas de control. 
• El rendimiento (kg/planta) de las plantas tratadas con LED fue mayor en comparación con las plantas de control tanto en la temporada de primavera (+24%) como en la de verano (+13%). Del mismo modo, la interiluminación LED suplementaria a partir de la noche (de 4 a.m. a 4 p.m.) resultó en un aumento de la productividad de invierno y verano del 24 % y el 12 %.
• La iluminación LED suplementaria no afectó el número de frutas y el aumento observado en el rendimiento de la fruta debe estar relacionado con el aumento del tamaño de la fruta y el peso en ambas estaciones. En consecuencia, el peso promedio de la fruta se incrementó con iluminación LED suplementaria en un 16 % y un 15 % durante la temporada de primavera y verano, respectivamente, en comparación con el peso medio de la fruta de las plantas de control.

Los frutos más grandes (+12%) en plantas cultivadas bajo iluminación LED suplementaria se asociaron previamente a una mejor capacidad fotosintética. De hecho, el desarrollo de fruta de tomate también es capaz de fotosíntesis y puede contribuir hasta un 20% al contenido de fotosintatos de la fruta, como se describió anteriormente por Hetherington et al. En consecuencia, se podría avanzar que la fotosíntesis en la fruta también podría ser facilitada por la luz LED y resultar en un crecimiento más sostenido de la fruta.

Resultados: parámetros de calidad

El contenido de sólidos solubles (ºBrix) es un parámetro comúnmente adoptado para evaluar la calidad de la fruta de tomate. Estudios anteriores han demostrado cómo la aplicación de una iluminación LED suplementaria aumenta de forma significativa el contenido de sólidos solubles  de las frutas de tomate en un 16% en comparación con el tratamiento de control sin iluminación suplementaria. Los resultados obtenidos en esta investigación fueron los siguientes:

• El contenido de sólidos solubles no se alteró por los regímenes de iluminación.
• La iluminación LED suplementaria no afectó los índices colorimétricos. Se realizó un análisis de CIE Lab sobre los frutos cosechados para evaluar el color final de los frutos, no mostrando diferencias significativas para los componentes L, a y b.
• La relación a:b cuya correlación con el contenido de licopeno se ha documentado recientemente, no se vio influenciada por la interiluminación LED suplementaria, sin embargo, otras fuentes de iluminación (por ejemplo, sodio aéreo suplementario de alta presión) podrían afectar negativamente esta relación. Por lo tanto, la investigación adicional debe apuntar específicamente a una mejor comprensión de la respuesta colorimétrica de la fruta a la exposición a la iluminación suplementaria.

Conclusión

Los resultados de esta nueva investigación muestran como una iluminación LED suplementaria, dentro del dosel, dio lugar a efectos positivos en la morfología de las plantas y el rendimiento de los frutos a lo largo de las temporadas de primavera y verano del cultivo hidropónico de tomate. Las características de crecimiento de la planta se asociaron con un mejor intercambio de gases de hoja, lo que en última instancia resultó en un mayor rendimiento de los cultivos mediante un mayor crecimiento de la fruta.

Esto indica como la adopción de iluminación LED suplementaria puede presentar posibilidades realmente interesantes para mejorar el rendimiento del cultivo en tomates cultivados en invernadero de alambre alto en el área mediterránea.

“Se necesita más investigación que integre un análisis financiero integral para establecer la viabilidad económica de la tecnología propuesta en la región mediterránea. Además, la investigación futura debe investigar más a fondo otros aspectos cualitativos (por ejemplo, contenido de carotenoides, contenido de flavonoides y valor de pH), a fin de tener una mejor y más general comprensión de los efectos suplementarios de la interiluminación LED en la calidad del tomate en el área mediterránea”, señalan los investigadores.

Artículo elaborado a partir del PAPER: “Supplementary LED Interlighting Improves Yield and Precocity of Greenhouse Tomatoes in the Mediterranean”. 2020