Luci LED come regolatori dei meccanismi biologici di piante di interesse commerciale: ottimizzazione dei processi per il miglioramento dei prodotti

Light is a key abiotic factor that is pivotal in regulating a wide variety of plant processes, including photosynthesis and photomorphogenesis that influence plant productivity. The use of artificial lights for plant growth and development in the horticultural industry has been known for a century, but only in the last decades has the Light Emitting Diode (LED) technology proved to be a valuable tool in the agricultural field, being an eco-friendly and cost-effective solution. These advantages make it an attractive replacement for traditional grow lights. Gaining a deeper understanding of the mechanisms and adaptive strategies employed by plants, also in response to variations in the availability of light spectra, is essential for bettering our knowledge in plant ecology and agricultural sustainability. The effects of artificial LED lighting systems on the growth and development of different plant species (e.g., Lens culinaris, Cucurbita pepo, and Diplotaxis tenuifolia) have been investigated as part of the PhD project. The responses to different light regimes have been analysed at morpho-physiological and molecular levels. The following topics were carried out to accomplish the aim of the project: (i) Investigation of the effect of different light intensity and spectral composition on the growth, bioactive compound content, antioxidant metabolism, and gene expression of lentils (Lens culinaris Medik.) (ii) Investigation of the effect of conventional broad-waveband (white) lighting and narrow-waveband LED lighting (red, green, and blue) on germination and seedlings establishment of pumpkin plants (Cucurbita pepo L. var. Alberello di Sarzana) intended for transplanting on the Sapori di Casa© farm (iii) Investigation of the phytochemical content and microbiological quality of soilless (SS) and soil-bound (SB) wild rocket (Diplotaxis tenuifolia (L.) DC) during cold postharvest storage under red, green, and blue Light Emitting Diode (LED). In this framework, the PhD project aimed to widen the knowledge of plant responses to the alteration in light spectrum regimes, optimise spectral quality to improve plant growth and development, as well as provide new applications of LEDs for artificial illumination. Keywords: light emitting diodes, light spectrum, horticultural and agricultural industry, light intensity, blue light, red light, green light, germination, seedling growth, plant architecture, reactive oxygen species (ROS), oxidative stress markers, antioxidant enzymes, gene expression, postharvest storage, microbiological quality, Lens culinaris, Cucurbita pepo, Diplotaxis tenuifolia.

Nel corso degli ultimi decenni, l’umanità è stata chiamata a fronteggiare alcune sfide in campo ambientale e agricolo, tra le quali gli effetti del cambiamento climatico, la desertificazione dei suoli e la ricerca di una migliore qualità dei prodotti agricoli in risposta alle richieste del mercato. Al fine di rendere i sistemi alimentari equi, sani e rispettosi dell'ambiente, sono state proposte diverse strategie. Tra queste, la strategia europea “Farm to Fork” (F2F) rappresenta uno dei più importanti progressi nella definizione delle politiche alimentari europee che pone tra gli obiettivi principali la riduzione degli sprechi alimentari, il miglioramento della sicurezza e della qualità dei prodotti e lo sviluppo di una produzione alimentare sostenibile. Le piante non utilizzano la luce esclusivamente come risorsa energetica, ma anche come segnale ambientale che influenza diversi meccanismi fisiologici durante l’intero ciclo vitale. In tal senso, nell’ambito dell’orticoltura l’integrazione di luce artificiale è stata ampiamente applicata al fine di controllare i processi biologici vegetali, tra cui crescita, morfogenesi, fioritura, risposta agli stress biotici e abiotici. In questo contesto la tecnologia a Diodi a Emissione Luminosa (LED) si è dimostrata uno strumento prezioso in campo agricolo, rappresentando una soluzione ecologica ed economicamente vantaggiosa. Il progetto ha mirato all’uso dell’illuminazione a LED come strumento per controllo della qualità e della sicurezza di prodotti di interesse agronomico e commerciale nel pre- e post-raccolta. Di pari interesse è stato l’approfondimento della conoscenza riguardante i meccanismi e le adattative adottate dalle piante in risposta alle diverse caratteristiche dello spettro luminoso. Gli effetti dell’illuminazione artificiale a LED sulla crescita e lo sviluppo di diverse specie vegetali (ad esempio, Lens culinaris, Cucurbita pepo e Diplotaxis tenuifolia) sono stati analizzati come parte del progetto di dottorato. Le risposte a differenti regimi luminosi sono state esaminate a livello morfo-fisiologico e molecolare. Per il raggiumento degli obiettivi preposti dal progetto di dottorato sono state avanzate diverse ricerche: (i) Studio dell'effetto di diverse intensità e composizioni spettrali della luce sulla crescita, sul contenuto di composti bioattivi, sul metabolismo antiossidante e sull'espressione genica in piantine di lenticchia (Lens culinaris Medik.). (ii) Studio dell'effetto di luci convenzionali a banda larga (“White”) e di luci LED a banda stretta (“Red”, “Green” e “Blue”) sulla germinazione e crescita di piantine di zucchino (Cucurbita pepo L. var. Alberello di Sarzana) destinate al trapianto presso l’azienda agricola Sapori di Casa©. (iii) Studio del contenuto fitochimico e della qualità microbiologica della rucola selvatica (Diplotaxis tenuifolia (L.) DC), coltivata in idroponica (SS) o in suolo (SB), durante la conservazione post-raccolta a freddo sotto illuminazione a LED rossa, verde e blu. In questo contesto, il progetto di dottorato si proponeva di ampliare le conoscenze sulle risposte delle piante alle modifiche dei regimi luminosi, ottimizzare la qualità spettrale per migliorare la crescita e lo sviluppo delle piante e fornire nuove applicazioni dei LED per l'illuminazione artificiale; con l’obiettivo più ampio di migliorare e riqualificare la filiera alimentare Parole chiave: diodi a emissione luminosa, spettro luminoso, industria orticola e agricola, intensità luminosa, luce blu, luce rossa, luce verde, germinazione, crescita delle piantine, architettura delle piante, specie reattive dell'ossigeno (ROS), marcatori di stress ossidativo, enzimi antiossidanti, espressione genica, conservazione post-raccolta, qualità microbiologica, Lens culinaris, Cucurbita pepo, Diplotaxis tenuifolia."