¿Qué es el espectro de luz y cómo influye en las plantas?

Cómo ya sabes, la luz es la fuente de energía con que las plantas, ya sea marihuana o cualquier otra especie vegetal, es capaz de crear su propio alimento gracias al proceso bioquímico de la fotosíntesis. Pero, aparte de formar azúcares combinando el agua y el CO2, el espectro de luz influye en más aspectos del desarrollo de la planta. ¿Te interesa saber más? ¡Te lo explicamos!

¿Qué es el espectro luminoso?

El espectro luminoso, también conocido como espectro visible, es la parte del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir como luz. Se refiere a la distribución de energía en diferentes longitudes de onda dentro del rango visible. 

Este espectro abarca longitudes de onda desde aproximadamente 380 nanómetros (violeta) hasta 750 nanómetros (rojo) y comprende todos los colores que podemos ver, como el rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta.

Pero claro, no es lo mismo el ojo humano, que una planta. El espectro luminoso aprovechable por las plantas superiores se refiere principalmente al rango de radiación fotosintéticamente activa (PAR), que abarca aproximadamente desde 400 hasta 700 nanómetros. 

La base de la fotosíntesis

La fotosíntesis se define como el conjunto complejo de reacciones mediante las cuales las células vegetales cosechan, transfieren y almacenan la energía lumínica como potencial químico en los enlaces de carbono de los carbohidratos. 

La fotosíntesis ocurre dentro del cloroplasto, un orgánulo que contiene clorofila y está dedicado a la producción de energía. Los cloroplastos se encuentran principalmente en el citoplasma de las células ubicadas entre las capas epidérmicas que delimitan las hojas. 

Las reacciones generadoras de energía y de foto oxidación-reducción de la fotosíntesis ocurren dentro de los tilacoides del cloroplasto. Incrustados en la membrana tilacoidal se encuentran cinco complejos proteicos que participan en el transporte de electrones y en la síntesis de las moléculas portadoras de energía NADPH y ATP, que alimentan la síntesis de carbohidratos. Entre estos complejos destacan los dos principales centros de reacción de la luz fotosintética, los fotosistemas I y II (PSI y PSII).

Los fotosistemas contienen conjuntos de pigmentos antena de clorofila y carotenoides asociados, moléculas involucradas en la recolección de energía lumínica para la fotosíntesis, organizadas de tal manera que maximizan la captura y transferencia de la energía lumínica.  Los pigmentos vegetales tienen patrones de absorbancia de longitudes de onda específicos conocidos como el espectro de absorbancia:

Las clorofilas a y b absorben fuertemente longitudes de onda de luz en las regiones roja y azul, con menor absorbancia en las longitudes de onda verdes. En acetona, la clorofila A exhibe un pico de absorbancia a 430 y 663 nm, mientras que la Clorofila b tiene picos a 453 y 642 nm. 

Los pigmentos β-caroteno y luteína en acetona absorben fuertemente en la región azul de la luz, con un pico máximo que ocurre a 454 y 448 nm, respectivamente. Estos pigmentos tienen picos de absorbancia locales, mientras que el β-caroteno tiene un segundo pico de absorbancia a 477 nm, y la luteína tiene dos picos de absorbancia locales a 422 y 474 nm.

Calidad el espectro de luz: radiación fotosintéticamente activa

Comprender la calidad del espectro lumínico es fundamental al elegir un sistema de iluminación adecuado para el cultivo interior. El conocimiento actual sobre la calidad espectral de la fotosíntesis se basa en gran medida en los descubrimientos de McCree en la década de 1970 (McCree, 1972a). 

Como hemos explicado antes, el espectro activo en las hojas de las plantas es el rango de longitudes de onda que va aproximadamente de 400 a 700 nm, dentro del cual las plantas absorben y utilizan de manera efectiva la energía luminosa para la fotosíntesis. Esto definió lo que ahora conocemos comúnmente como PAR (medido en μmol/m²·s), una medida que relaciona la intensidad y la tasa de energía luminosa emitida por una fuente de luz, y que define el espectro de acción de la luz en las plantas y las longitudes de onda más eficaces para la biosíntesis de glucosa y el almacenamiento de energía química

La fotosíntesis es un proceso fotoquímico cuántico, en el cual se fija un carbono y se libera una molécula de oxígeno por cada 10 fotones (cuantos) de luz absorbidos. Ambas unidades de medida, densidad de flujo radiante (W/m²) y densidad de flujo de fotones (μmol/m²·s) suelen utilizarse para comparar los focos de cultivo. 

Sin embargo, los rendimientos de las plantas se sobreestiman para la luz azul en comparación con la luz roja cuando se utiliza la densidad de flujo radiante, y esta sobreestimación es menor cuando la energía luminosa se mide en densidad de flujo de fotones. Por lo tanto, el PAR se define en el rango de 400 a 700 nm en unidades cuánticas de densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD, μmol/m²·s). 

Basado en los hallazgos de McCree sobre el espectro de acción de las plantas, el espectro PAR se utiliza para integrar los valores del flujo de fotones, y el PPFD ofrece una estimación instantánea de la actividad fotosintética potencial en relación con las emisiones medidas de la fuente de luz.

Aunque está demostrado que el uso de PPFD es necesario para cuantificar la productividad fotosintética, aún se emplean otras unidades fotométricas de luz como lúmenes o lux. Estas unidades fotométricas se basan en la respuesta del ojo humano al brillo, donde los ojos humanos son más sensibles a la luz verde que a la roja o azul. 

Además, la luz por debajo de 400 nm y por encima de 700 nm también induce actividad fotosintética, lo cual no se consideraba anteriormente en el PAR. Esto llevó al uso del flujo de fotones de rendimiento. Este flujo de fotones tiene en cuenta la actividad fotosintética de 360 a 760 nm basado en la curva de rendimiento cuántico de McCree. 

En el caso de las plantas de cannabis, la mayoría de los estudios se han realizado bajo intensidades de luz que varían entre 300 y 2.000 μmol/m²·s; esto es más alto que lo que se usa típicamente para cultivos en interior y para todos los estudios sobre calidad espectral (McCree, 1972a; Inada, 1976; Chandra et al., 2008; Chandra et al., 2015). En este contexto, es necesario comprender la calidad espectral de la fotosíntesis en las plantas de cannabis para optimizar su crecimiento.

Compensación de luz y puntos de saturación

A medida que aumenta el PPFD, también lo hacen el crecimiento de la planta y su tasa fotosintética, y este aumento lineal ocurre entre el punto de compensación lumínica y el punto de saturación lumínica. Veamos que quieren decir estos dos términos:

• El punto de compensación lumínica es el momento en el que la actividad fotosintética de la planta iguala su actividad respiratoria, y el dióxido de carbono liberado durante la respiración es equivalente al utilizado durante la fotosíntesis. Si la intensidad de la luz está por debajo del punto de compensación lumínica, se produce una pérdida neta de azúcares, lo que puede afectar negativamente el crecimiento de la planta
• El punto de saturación lumínica es la intensidad de luz en la que la tasa fotosintética alcanza su máximo, y más luz no tiene efecto o incluso puede tener un efecto negativo en la fotosíntesis. Comprender este punto en las plantas ofrece a los ingenieros de iluminación la oportunidad de proporcionar intensidades de luz óptimas que maximicen el crecimiento de las plantas. El punto de saturación lumínica para el cannabis aún no ha sido determinado, pero se ha reportado su tasa fotosintética neta a diferentes temperaturas e intensidades. En estos estudios, no se observó una disminución en la tasa fotosintética a la intensidad más alta utilizada; sin embargo, a 30°C, las tasas fotosintéticas netas disminuyeron en un 20% entre 1.500 y 2.000 μmol/m²·s (Chandra et al., 2008; Chandra et al., 2015).

Para cualquier longitud de onda y planta específica, un aumento en la tasa fotosintética se traduce en un aumento en los rendimientos hasta alcanzar el punto de saturación lumínica. Por lo tanto, una mayor iluminación produce un aumento lineal similar en el rendimiento de biomasa, aunque esto se ve contrarrestado por los mayores costos operativos relacionados con la energía de la luz. 

Con focos LED de alta intensidad, se requiere una intensidad de luz constante que esté por encima del punto de compensación lumínica y por debajo del punto de saturación lumínica, pero esto depende del entorno y las necesidades específicas del cultivador: no necesita la misma luz una planta madre destinada a la producción de esquejes que otra para producir flor.

Fotorreceptores y foto morfogénesis

La foto morfogénesis es el desarrollo de las plantas influenciado por la luz, y regulado por cinco fotorreceptores diferentes (ver imagen abajo). Estos fotorreceptores modulan docenas de desarrollos estructurales en las plantas, como la altura, el tamaño de las hojas y la floración. Estos cambios en la arquitectura de la planta afectan el desarrollo a largo plazo de la misma.

Efectos de la luz roja (625 a 700 nm) e infrarroja (>700 nm)

La luz roja tiene un impacto profundo en la foto morfogénesis, el contenido de nutrientes en las hojas y el crecimiento del tallo. Es esencial para la síntesis de clorofila y para enderezar el epicótilo en las plántulas de dicotiledóneas. Estos procesos están bajo el control del fitocromo, un fotorreceptor sensible a la luz roja, roja lejana, y en menor medida, a la luz azul. 

Un fitocromo existe en un equilibrio fotoquímico entre dos formas interconvertibles: una que absorbe luz roja (Pr) y otra que absorbe luz roja lejana (Pfr), siendo Pfr la forma activa que desencadena respuestas fisiológicas. La forma Pr, inactiva, se convierte en Pfr al absorber luz roja. 

Los estudios concluyen que una baja proporción R durante un foto periodo largo (etapa vegetativa) es beneficiosa para el desarrollo de esquejes maduros, lo que contradice la creencia popular en la industria del cannabis.

La luz roja también regula la calidad, cantidad y duración de la floración. Según Guo et al. (1998) y Thomas y Vince-Prue (1996), la inhibición de la floración con luz roja se efectúa a través de los receptores de luz roja, incluidos los fitocromos.

Las plantas cultivadas bajo condiciones de sombra de dosel o en la proximidad de otras plantas muestran una variedad de respuestas a los cambios en las proporciones R de la luz ambiental. Esta respuesta, conocida como evitación de la sombra, se caracteriza por una aceleración del tiempo de floración y una rápida elongación de tallos y hojas (Halliday et al., 1994; Smith, 1994). 

Kasperbauer (1988) determinó que la luz FR reflejada por plántulas vecinas aumentaba la proporción R que recibían las plantas, induciendo un aumento en la longitud del tallo (plantas espigadas), el contenido de cloroplastos, la proporción de clorofila a/b y la tasa de fijación de CO2, junto con una disminución en el grosor de las hojas.

Efecto de la luz azul (450 a 520 nm) y ultravioleta (<400 nm)

La luz azul y la UV-A son los activadores de los criptocromos y las fototropinas, dos fotorreceptores que desencadenan una serie de procesos esenciales para el desarrollo y la vida de las plantas. Estos procesos incluyen la germinación, la elongación y la apertura de los estomas, lo que impacta directamente en cómo las plantas transpiran y absorben el CO2. 

Es fascinante cómo la luz azul guía la formación de la clorofila, el desarrollo de los cloroplastos, la síntesis de enzimas y la densidad de las plantas, al mismo tiempo que les ayuda a enfrentar los desafíos del entorno. La falta de luz azul puede alterar profundamente la fotosíntesis, y cambiar la proporción de clorofilas.

El poder de la luz azul no se detiene ahí. También fortalece la epidermis y las células del mesófilo, promueve el crecimiento del tallo, la altura de la planta y la producción de antocianinas. En el mundo del cannabis, la luz azul bajo un ciclo de luz corto (fase de floración)  mejora notablemente el contenido de cannabinoides, y se ha descubierto una poderosa sinergia entre la luz UV-A y la azul que favorece la acumulación de cannabigerol en las flores.

Por otro lado, las longitudes de onda de la luz más cortas que el espectro PAR, como la luz violeta y la radiación UV, aunque tienen un impacto limitado en la fotosíntesis, desencadenan efectos asombrosos cuando activan los sistemas de detección de UV-B. Este tipo de radiación, aunque en grandes cantidades puede ser dañina, en pequeñas dosis ofrece beneficios sorprendentes: aumenta la resistencia a las plagas, mejora la acumulación de flavonoides, optimiza la eficiencia fotosintética y actúa como un indicador natural de la luz solar directa.

Finalmente, se ha descubierto que la radiación UV-B, lejos de ser solo una amenaza, es capaz de estimular la acumulación de THC en las hojas y los cogollos de las plantas de cannabis, lo que la convierte en un aliado inesperado en la producción de esta planta. Es un recordatorio de cómo la luz, en todas sus formas y colores, es vital para la vida vegetal.

Efecto de la luz verde (520 a 560 nm)

La luz verde, a menudo subestimada en el crecimiento de las plantas, ha sido considerada poco útil debido a la limitada absorción de estos tonos por los pigmentos fotosintéticos. Sin embargo, la realidad es mucho más compleja y fascinante. Hay evidencia que demuestra que la luz verde, bajo ciertas longitudes de onda e intensidades, puede ser un motor activo para el crecimiento de las plantas.

La luz verde influye en la morfología de las plantas, afectando el crecimiento de las hojas, la conductancia estomática y la elongación temprana de los tallos. Los primeros estudios que analizaron el efecto de la luz verde en el crecimiento vegetal y la foto morfogénesis mostraron que, a baja intensidad lumínica (~150 μmol/m²·s), esta luz tiene un impacto significativo en el desarrollo de las plantas. De hecho, se descubrió que un bajo porcentaje de luz verde (≤ 24%) estimula el crecimiento vegetal, mientras que una mayor proporción puede inhibirlo.

La luz verde, con su capacidad superior de penetración en los tejidos foliares, supera a la luz roja y azul en su capacidad de penetrar el dosel de la planta, alcanzando capas más profundas.

No obstante, la luz verde no es completamente benigna. Tiene un efecto antagonista sobre otras respuestas inducidas por la luz azul, como el cierre estomático o la acumulación de antocianinas. En las plantas de cannabis, la presencia de luz verde ha demostrado tener un impacto negativo en los niveles de THC, lo que subraya la delicada danza de luces y colores que orquesta la naturaleza en el desarrollo de las plantas. La luz verde, con su dualidad de efectos, es un recordatorio de que en el mundo vegetal, incluso lo que parece insignificante, puede tener un papel crucial.

¿Que es la temperatura de color de un foco y como afecta a las plantas?

La temperatura de color de un foco se refiere a la apariencia del color de la luz emitida por la fuente de iluminación. Se mide en grados Kelvin (K) y describe si la luz parece más cálida (amarilla/roja) o más fría (blanca/azul).

• Temperaturas bajas (2000K – 3000K): luz cálida que es similar a la de las lámparas de alta presión de sodio (HPS). Este tipo de luz promueve el crecimiento de flores y frutos, siendo ideal para la fase de floración de las plantas.
• Temperaturas medias (3100K – 4500K): luz blanca neutra, similar a la luz del día a media mañana. Apoya el crecimiento general de las plantas, incluyendo tanto el crecimiento vegetativo como la floración
• Temperaturas altas (4600K – 6500K):  luz fría que se asemeja a la luz del día plena o la luz del cielo en un día despejado. Estimula el desarrollo de hojas y tallos, haciendo que las plantas sean más tupidas y robustas.

Como ves, utilizar la temperatura de color adecuada para las diferentes etapas de crecimiento puede optimizar la salud y la productividad de las plantas.

Espectro y temperatura de color de lámparas de vapor de sodio

Las lámparas de vapor de sodio emiten luz principalmente en la parte amarillo-naranja del espectro, con muy poca luz en otras longitudes de onda. Como resultado, tienen una salida espectral estrecha centrada alrededor de una sola longitud de onda. 

La temperatura de color de las lámparas de vapor de sodio es relativamente baja, típicamente alrededor de 2000K a 2200K. Esta baja temperatura de color les da su característico brillo cálido amarillo-naranja.

Espectro y temperatura de color de lámparas LEC

Las lámparas LEC (Light Emitting Ceramic) emiten luz en un espectro más amplio que las lámparas de vapor de sodio. 

Tienen una temperatura de color que puede variar según el modelo y la configuración, pero generalmente cae en el rango de 3000K a 4200K. Esto significa que la luz que producen puede variar desde cálida hasta neutra, lo que les permite adaptarse a diferentes etapas de desarrollo de las plantas.

Espectro y temperatura de color de focos LED

Los focos LED (Light Emitting Diode) tienen un amplio espectro de emisión de luz que puede ser ajustado para adaptarse a diferentes necesidades de iluminación hortícola. La temperatura de color de los focos LED varía según el modelo y la configuración, pero típicamente se encuentra en un rango de 2700K a 6500K.

Conclusión

Como ya habrás deducido tú mismo, los mejores focos para cultivar son los LEDs, por su amplio espectro y alta eficiencia lumínica. Con un foco LED de calidad, puedes darle a tus plantas la luz que necesitan en cada una de las fases de cultivo. De hecho, ahora ya hay algunos focos de espectro configurable, con los que puedes cambiar el espectro a medida que avanza el cultivo.

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Manel Asenjo

Director de ventas en Horticultura tècnica de l'Ebre S.L. - Ebregrow

Ingeniero técnico agrícola especializado en cáñamo y microhorticultura y técnico superior en sistemas de control automatizados.
He trabajado como redactor de contenidos en La cañameria global S.L. y Cactus Martorell Growshop. He trabajado también como comercial y asesor técnico en All2Grow y Excellent Nutrients.

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