Studio delle variazioni morfometriche e biochimiche di alcune specie forestali mediterranee sottoposte a differenti tipologie di diodi ad emissione luminosa

Abstract

La necessità di garantire il successo dei programmi di restauro ambientale e di rimboschimento contribuisce a incrementare la richiesta di piante di alta qualità necessarie per la riuscita degli interventi effettuati. A tal fine, obiettivo principale della vivaistica forestale è la produzione di piante in grado di offrire le maggiori garanzie d’attecchimento, di adattamento e di rapido accrescimento. Pertanto, nuove metodologie di allevamento e l’impiego di nuove tecnologie potrebbero contribuire al miglioramento della qualità e quantità delle piantine forestali. Recentemente nel settore della vivaistica forestale è stata introdotta la fase di pre-coltivazione, che prevede la produzione sostenibile di piantine forestali in camere di crescita dotate di luci artificiali, per un periodo piuttosto breve ma sufficiente a garantire un’ottima germinabilità dei semi e il successivo sviluppo delle specie coltivate. Fino ad oggi come fonte luminosa sono state utilizzate le luci fluorescenti. Tuttavia, diodi ad emissione luminosa (LED) sono stati recentemente proposti come un interessante tecnologia alternativa a basso costo per la crescita delle piante in ambiente controllato. Il vantaggio principale dei LED è la possibilità di impostare una specifica lunghezza d'onda in modo da regolare lo spettro luminoso a seconda delle esigenze della pianta. Obiettivo della presente ricerca è stato quello di analizzare le risposte morfometriche e fisiologiche di piante di Arbutus unedo L., Quercus ilex L., Myrtus communis L., Punica granatum L. e Fagus sylvatica L. allevate in camere di crescita e sottoposte a differenti diodi ad emissione luminosa, confrontando i risultati con quelli ottenuti dalle stesse specie allevate con tradizionale luce fluorescente. Durante il periodo di allevamento sono stati valutati alcuni parametri morfometrici quali: altezza fusto, diametro fusto, peso fresco e secco di fusto radici e foglie e area fogliare. Inoltre, sono stati analizzati il contenuto totale di clorofilla e di β-carotene, l'attività di due enzimi chiave coinvolti nell’assimilazione dell’azoto (nitrato reduttasi e glutammina sintetasi) e, infine, la risposta delle pianta al fotodanneggiamento valutando il livello di concentrazione della malondialdeide (MDA). Al termine del periodo di pre-coltivazione le piante sono state trasferite in serra per una stagione vegetativa per valutare i meccanismi di risposta delle piante quando esposte alla luce naturale. Infine, al termine del periodo trascorso in serra le piante di Quercus ilex L., sono state trapiantate in campo aperto per verificarne l’effettiva capacità di attecchimento. I risultati della ricerca hanno mostrato l’efficacia delle luci LED nel sostenere lo sviluppo delle piante in ambiente artificiale. Nel successivo passaggio in serra e in pieno campo, le specie forestali allevate con i diodi ad emissione luminosa hanno mostrato una buona ripresa vegetativa indicando, quindi, che le condizioni adottate durante la fase di pre-coltivazione sono state idonee. I risultati ottenuti suggeriscono che l’introduzione dei LED nella fase di pre-coltivazione si presenta come una valida alternativa alle lampade fluorescenti. Inoltre, durante il periodo della ricerca è stato sviluppato un nuovo modello di camera di crescita (prototipo) che possa conciliare la necessità di un’alta produzione di piantine con un basso consumo energetico. Il prototipo è costituito da dieci ripiani in movimento rotatorio e si avvale per l’illuminazione di tre lampade a luci LED con spettro luminoso di nuova generazione. Un computer PLC è utilizzato per impostare le condizioni di allevamento (temperatura, fotoperiodo e intensità luminosa) e controllare l'irrigazione automatica. Questo lavoro ha proposto di confrontare l'applicazione di tradizionali camere di crescita con illuminazione a LED con l'innovativa camera di crescita, utilizzando il corbezzolo come pianta modello. Per valutare gli effetti della crescita delle piante all’interno del prototipo, rispetto ad una tradizionale camera di crescita, sono stati valutati gli stessi parametri di crescita precedentemente descritti. Successivamente le piantine sono state trasferite in serra per una stagione vegetativa. I risultati hanno mostrato che sia il contenuto di clorofilla che di β-carotene era superiore nelle piante allevate nel prototipo rispetto al contenuto dei due pigmenti osservati nel corbezzolo allevato nella camera di crescita tradizionale. Inoltre, i livelli di MDA erano inferiori nelle piante di corbezzolo coltivate nel prototipo, suggerendo che la luce pulsata generata della rotazione degli scaffali molto probabilmente riduce il fotodanneggiamento. In conclusione, l’alto numero di piante ottenute, equivalente a quello di cinque tradizionali camere di crescita, il risparmio energetico e l'elevata meccanizzazione del prototipo lo fanno ritenere una tecnologia innovativa (o innovazione tecnologica) promettente per il miglioramento qualitativo e quantitativo della produzione vivaistica forestale.

The need to ensure the success of environmental restoration and reforestation programs contributes to increase the request for high quality plants. To this end, the purpose of the forest nursery is the production of plants with higher capability of engraftment, adaptation and rapid growth. Therefore, new breeding methods and new technologies could surely improve the quality and quantity of the forest seedlings. Recently, it has been introduced the pre-cultivation phase which provides a sustainable production of forest seedlings in growth chambers with artificial lights for a short period, but sufficient to guarantee a high seed germination and development of the species. Fluorescent light is typically used as light source in plant growth chambers. However, light emitting diodes (LEDs) have been recently proposed as an attractive low-cost alternative technology for plant growth in controlled environment. Major advantage of LEDs is wavelength specificity, that allows to adequately adjust the spectra according to plant needs. Aim of this research was to analyse the morphometric and physiological responses of Arbutus unedo L. Quercus ilex L., Myrtus communis L., Punica granatum L. and Fagus sylvatica L. plants cultivated in growth chambers and exposed to different LED lights, comparing the results with those obtained from the same species grown under fluorescent lamps. During the period in growth chamber were evaluated morphometric parameters such as: stem height, stem diameter, stem, roots, leaves fresh and dry weight, and leaves area. In addition, were analysed the total content of chlorophyll and β-carotene, the activity of two enzymes involved in the assimilation of N (nitrate reductase and glutamine synthetase) and, finally, the plant response to photodamage evaluating the concentration of malondialdehyde (MDA). At the end of the pre-cultivation period, the plants were transferred in the greenhouse for one season, to evaluate the response mechanisms of the plants when exposed to natural light. Finally, at the end of the period in the greenhouse Quercus ilex L plants were transplanted in the open field to verify the capacity of engraftment. The research showed the effectiveness of LED lights to support the growth and the development of plants in artificial environment. The next step in the greenhouse and in the open field showed good results for the plants cultivated under light emitting diodes, suggesting that the conditions adopted during the pre-cultivation have been appropriate. The results indicate that the introduction of LEDs in the pre-cultivation phase could be good alternative to fluorescent lamps. Furthermore, during the research period it has developed an experimental growth chamber (prototype) able to reconcile the need of seedlings high production with a low energy consumption. The prototype consists of 10 shelves running under three LED lamps. A PLC control is used to set the experimental conditions (temperature, photoperiod and light intensity) and to control the automatic irrigation. The aim was to compare the application of traditional growth chambers with LED lighting with innovative growth chamber (prototype) using strawberry tree as model plant. To evaluate the effects of the growth of forest seedlings in the Prototype, compared to a traditional growth chamber, it has been evaluated the same growth parameters previously described. Thereafter, the seedlings were transferred to the greenhouse for one growing season. Results showed that both chlorophyll and β-carotene contents were higher in plants grown in the prototype than in the traditional growth chamber. Furthermore, the MDA levels were lower in myrtle plants cultured in the prototype, suggesting that pulsed light due to the shelves’ rotation most likely reduces photodamage. Finally, the prototype performance, in terms of number of plants obtained (equivalent to five traditional growth chambers), energy saving and high mechanization seems to point out such a technology as a promising innovation for the quali-quantitative improvement of plants production in forest nursery.