Shuyang Zhen, Marc van Iersel, Bruce Bugbee
Why Far-Red Photons Should Be Included in the Definition of Photosynthetic Photons and the Measurement of Horticultural Fixture
Front. Plant Sci. 12:693445; doi: 10.3389/fpls.2021.693445
I fotoni luminosi con lunghezza d’onda maggiore di 700 nm danno un apporto limitato all’attività fotosintetica quando sono applicati come unica fonte luminosa e per questo motivo non sono inclusi nella definizione di radiazione fotosinteticamente attiva (PAR, compresa tra i 400 e i 700 nm). Tuttavia, con l’introduzione della tecnologia LED e la possibilità di studiare gli effetti delle singole lunghezze d’onda è emerso che la radiazione nel rosso lontano (FR), quando è fornita insieme alla radiazione rosso+blu o a quella bianca, permette di incrementare l’attività fotosintetica delle specie vegetali. Questo incremento dell’attività fotosintetica si verifica se lo spettro FR non rappresenta più del 30% della radiazione totale, in quanto questa lunghezza d’onda è assorbita principalmente dal fotosistema I, mentre la radiazione rossa è assorbita principalmente dal fotosistema II.
Nei primi studi effettuati sull’effetto dei diversi spettri luminosi sull’attività fotosintetica è emerso che, a bassi livelli di intensità luminosa, la radiazione rossa guida il processo fotosintetico in misura maggiore rispetto alla radiazione blu, ed ancora maggiore rispetto alla radiazione verde. Tuttavia, recenti studi hanno dimostrato che, avendo la radiazione verde un maggior potere di penetrazione nella canopy, rispetto alle altre lunghezze d’onda, ad alte intensità luminose gli spettri rosso e verde sono utilizzati più efficientemente rispetto allo spettro blu. Inoltre, studi iniziali hanno dimostrato che incrementando la lunghezza d’onda sopra i 685 nm l’efficienza fotosintetica della radiazione diminuisce. Tuttavia, quando questa radiazione (> 685 nm) è fornita simultaneamente a lunghezze d’onda più basse l’attività fotosintetica incrementa e questo è chiamato “Emerson Enhancement Effect“ (Emerson è lo scienziato che ha individuato per primo questo effetto). Come anticipato nel paragrafo precedente, l’effetto sinergico tra radiazione FR e radiazione a più corta lunghezza d’onda deriva dal fatto che la prima è assorbita principalmente dal fotosistema I, mentre la seconda è assorbita principalmente dal fotosistema II. L’Emerson Enhancement Effect è stato individuato per la prima volta nel 1957 e quasi ignorato per i successivi cinquant’anni, in quanto si riteneva che l’effetto sinergico era a solo vantaggio della radiazione a maggiore lunghezza d’onda, mentre i recenti studi hanno scoperto che anche le lunghezze d’onda minori migliorano l’efficienza fotosintetica quando applicate con lunghezze d’onda maggiori. Inoltre, nella definizione di PAR data da McCree nel 1972, il range tra 400 e 700 nm è stato definito come un’accettabile definizione di flusso fotosintetico, ma durante i suoi studi McCree non prese in considerazione i fotoni con una lunghezza d’onda maggiore di 710 nm.
Recentemente, con lo sviluppo della tecnologia LED, numerosi studi sono stati condotti relativamente all’effetto della radiazione FR sull’attività fotosintetica. Nel 2017, Zhen e Van Iersel hanno dimostrato che, aggiungendo la radiazione FR alla radiazione rosso+blu o bianca, la resa quantica del fotosistema II e il tasso fotosintetico incrementano, e che questo incremento è leggermente maggiore con la radiazione rosso+blu, probabilmente perché la radiazione bianca contiene già un 4% di fotoni nel rosso lontano. Sempre Zhen, nel 2019, ha scoperto che incrementando la lunghezza d’onda dei fotoni da 678 a 703 nm la radiazione eccita in maniera più efficiente il fotosistema I rispetto al fotosistema II. Ed ancora, che la radiazione con lunghezza d’onda maggiore dei 752 nm ha effetto sull’efficienza fotosintetica. Inoltre, Zhen e Bugbee, nel 2020, hanno verificato che l’aumento dell’efficienza fotosintetica dato dall’aggiunta della radiazione FR si verifica fino a quando questa lunghezza d’onda non supera il 30% della radiazione totale, in quanto a queste percentuali si verifica il bilanciamento dell’eccitazione tra il fotosistema I e il fotosistema II. Anche nella radiazione solare, la componente FR è presente in un rapporto percentuale di circa il 30%.
Tuttavia, il Design Light Consortium recentemente ha deciso di non ampliare il range del PAR sebbene le evidenze descritte dagli scienziati citati dimostrino il ruolo dalla radiazione FR nell’attività fotosintetica. Per questo Zhen e Bugbee propongono di introdurre la “radiazione fotosinteticamente attiva estesa” (ePAR) che include la radiazione compresa tra i 400 e i 750 nm. Dal punto di vista pratico, oggi per le lampade utilizzate come fonte di radiazione supplementare, la radiazione FR non è utilizzata ai fini del calcolo dell’efficienza di conversione dell’energia elettrica in energia luminosa, mentre con l’introduzione dell’ePAR la radiazione FR può essere inclusa in questo calcolo, incrementando l’efficienza delle lampade stesse. Tuttavia, siccome la radiazione FR causa fenomeni quali l’allungamento dello stelo, delle foglie e dei pezioli, per molte colture è bene non andare oltre il 20% di radiazione FR nello spettro di illuminazione supplementare e, proprio per questo, le aziende produttrici di moduli LEDs sono invitate a riportare chiaramente la percentuale di radiazione FR nello spettro di emissione delle lampade.
In conclusione, il concetto di ePAR si riferisce al fatto che la radiazione FR non dovrebbe superare il 30% del flusso fotonico totale compreso tra i 400 e i 750 nm oppure il 40% del flusso fotonico compreso tra i 400 e i 700 nm.
HTML e PDF: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2021.693445/full