No es magia, sino ciencia: investigadores estudian cómo las plantas dispersan la luz solar para mejorar los cultivos

La investigación agronómica ha demostrado que la productividad no depende únicamente del suelo o del clima. La arquitectura de los cultivos y la manera en que las hojas interactúan con la radiación solar influyen directamente en la fotosíntesis y, por extensión, en el rendimiento final. En este marco, algo que no siempre se tuvo presente, es que las plantas dispersan la luz solar.

Hasta ahora, muchos modelos se centraban en la geometría del dosel vegetal, pero dejaban de lado las propiedades ópticas de las hojas. Para entender cómo las plantas dispersan la luz solar, es preciso integrar varios datos físicos, biológicos y computacionales, un desafío que empieza a resolverse con nuevas herramientas de medición y simulación.

¿Cómo las plantas dispersan la luz solar dentro del cultivo?

El primer paso para analizar cómo las plantas dispersan la luz solar consiste en medir con detalle la radiación reflejada por las hojas. Un equipo chino de ciencias de cultivos desarrolló un marco predictivo capaz de estimar este comportamiento con una precisión cercana a 0,99 en pruebas realizadas en China. El estudio fue publicado en la revista Plant Phenomics.

El grupo, liderado por el profesor Xin-Guang Zhu, de la Academia China de Ciencias, incorporó la óptica foliar como una variable clave para mejorar los rendimientos.

Para ello, diseñaron un instrumento llamado Directional Spectrum Detection Instrument (DSDI), que registra la luz reflejada desde múltiples ángulos. A diferencia de métodos más lentos, este sistema permite obtener grandes volúmenes de datos sin limitar el tamaño de las muestras.

Antes de aplicar los resultados a hojas reales, el equipo calibró el dispositivo con una superficie blanca de comportamiento lambertiano, capaz de reflejar la luz de forma uniforme. Esta verificación evitó que posibles sesgos mecánicos se confundieran con diferencias biológicas entre plantas.

¿Cómo varía la luz en el dosel vegetal?

En un cultivo denso, la luz solar disminuye rápidamente desde la parte superior hacia las capas inferiores. Este fenómeno genera zonas con exceso de radiación y otras con déficit, lo que reduce la eficiencia del uso de la luz. En términos prácticos, las hojas inferiores producen menos biomasa por unidad de luz captada.

La forma en que las plantas dispersan la luz solar influye en esta distribución desigual. La geometría del cultivo por sí sola no explica dónde termina la radiación reflejada.

Por eso, los investigadores incorporaron funciones de distribución bidireccional de la reflectancia (BRDF), que relacionan la reflexión con los ángulos de entrada y salida de la luz.

Mediante el modelo Cook-Torrance, separaron la reflexión especular, similar a la de un espejo, de la dispersión difusa. Ajustando parámetros como la rugosidad o la refracción, fue posible simular cómo la luz se redistribuye entre distintas capas del dosel sin repetir mediciones para cada hoja.

¿Se puede predecir cómo las plantas dispersan la luz solar?

Para predecir cómo las plantas dispersan la luz solar, el equipo utilizó rasgos fáciles de medir: grosor de la hoja, peso específico, masa seca por superficie, niveles de pigmentos y rugosidad microscópica. Estos datos permitieron distinguir entre la reflectancia visible, dominada por los pigmentos, y la reflectancia en el infrarrojo cercano, más ligada a la estructura interna.

Las mediciones mostraron dos tipos de reflexión: un pico estrecho asociado a superficies más lisas y una dispersión amplia vinculada a texturas rugosas. Así, dos hojas con pigmentación similar pueden distribuir la luz de manera distinta dentro del cultivo.

Especies como maíz, arroz, algodón o álamo presentaron patrones ópticos diferenciados. Estas variaciones ayudan a explicar por qué algunas plantas parecen más brillantes y cómo su microtextura influye en el reparto de la radiación bajo condiciones de cielo cambiante.

De la simulación a la mejora de cultivos

Para trasladar estos datos a un entorno realista, los científicos aplicaron simulaciones de trazado de rayos en un dosel tridimensional de arroz. Al modificar parámetros como la rugosidad o la dispersión difusa, el modelo redistribuyó la luz entre capas, alterando los niveles locales de radiación sin cambiar la intensidad solar total.

Según explicó Zhu, «en este estudio desarrollamos una estrategia para estimar las propiedades ópticas de las hojas a partir de características anatómicas».

El uso de aprendizaje automático permitió relacionar rasgos físicos con patrones ópticos complejos, aunque algunas variables, como el índice de refracción, siguen siendo difíciles de predecir sin datos adicionales de contenido hídrico.

Tratar la luz como un rasgo más abre nuevas posibilidades para la mejora genética. Integrar estimaciones ópticas en modelos de cultivo podría ayudar a identificar variedades que distribuyan mejor la radiación, optimizando la fotosíntesis en todo el dosel. Futuras pruebas en campo y con más especies permitirán evaluar la estabilidad de estas predicciones en condiciones reales.