Efecto de la composición de sustratos en la fisiología y la calidad de plantas de interés agronómico y medicinal

Abstract

La presente tesis doctoral se enfocó en el estudio de la composición de sustratos para la producción sin suelo de cultivos de alto valor económico y farmacológico, específicamente el arándano (Vaccinium corymbosum L.) y el cannabis (Cannabis sativa L.). Estos cultivos fueron seleccionados por su creciente importancia en las industrias nutracéutica y medicinal, respectivamente. La investigación se realizó bajo condiciones ambientales controladas, y en el caso del arándano también se evaluó el efecto del enriquecimiento con dióxido de carbono (CO₂). El objetivo principal fue analizar cómo diferentes composiciones de sustrato afectan el desarrollo fisiológico, la absorción de nutrientes y la calidad del cultivo.

Se utilizaron mezclas de fibra de coco, turba, perlita y chips de madera como sustratos, con el fin de evaluar su impacto en indicadores fisiológicos como la tasa de crecimiento relativo, la conductancia y densidad estomática, y la eficiencia en el uso del agua (WUE) y del nitrógeno (NUE). Estos indicadores fueron fundamentales para entender el comportamiento de las plantas ante diferentes condiciones de cultivo sin suelo.

En el cultivo de cannabis, se observó que las mezclas de fibra de coco con turba (70/30) y con turba y perlita (60/30/10) favorecieron significativamente el crecimiento vegetativo, la producción de biomasa y el desarrollo radicular. Estas combinaciones también promovieron una absorción equilibrada de nutrientes como calcio, magnesio e hierro, elementos esenciales en la formación de metabolitos secundarios. Como resultado, las plantas presentaron una arquitectura más robusta y un mejor rendimiento general, lo que indica que estos sustratos ofrecen un entorno favorable para maximizar el potencial productivo del cannabis con fines medicinales.

En cuanto al arándano, el sustrato de fibra de coco al 100% resultó ser el más adecuado bajo condiciones ambientales estándar (25°C día/20°C noche, con humedad relativa entre 60% y 70%). Este sustrato facilitó el crecimiento en altura, una mayor tasa de desarrollo y una óptima absorción de nutrientes clave como nitrógeno, hierro, manganeso y zinc. Las propiedades físicas de la fibra de coco, como su capacidad de aireación y retención hídrica, junto con su influencia positiva en la actividad microbiana radicular, contribuyeron a crear un entorno ideal para el desarrollo de esta especie frutal.

Sin embargo, al incorporar enriquecimiento con CO₂ en el cultivo de arándano, las combinaciones de fibra de coco con perlita (90/10) y con turba (70/30) mostraron mejores resultados que la fibra de coco pura. Estas mezclas mejoraron la eficiencia en el uso del agua y del nitrógeno, además de promover una respuesta estomática más equilibrada. Esto se debe a que la mayor porosidad y estructura física de los sustratos mezclados permite una mejor gestión del agua y los nutrientes, lo que optimiza la fotosíntesis en ambientes enriquecidos con CO₂.

En conclusión, los resultados de esta investigación subrayan la importancia de seleccionar el sustrato adecuado en función de las condiciones ambientales y los objetivos productivos. Para el cultivo de cannabis, las mezclas con turba demostraron ser altamente eficaces para mejorar el rendimiento y la nutrición mineral. Por otro lado, para el arándano, la fibra de coco pura es ideal bajo condiciones estándar, mientras que sus combinaciones con perlita o turba se recomiendan en entornos enriquecidos con CO₂, donde es esencial un mayor control fisiológico.

Este estudio ofrece una base sólida para futuras investigaciones centradas en el análisis molecular de los procesos fisiológicos relacionados con el transporte de agua y nutrientes. Asimismo, propone que una estrategia integrada de manejo de sustratos, eficiencia en el uso del agua y enriquecimiento con CO₂ puede contribuir al desarrollo de una agricultura más precisa, sostenible y de alta calidad.

This doctoral thesis focused on the study of substrate composition for soilless cultivation of crops with high economic and pharmacological value, specifically blueberry (Vaccinium corymbosum L.) and cannabis (Cannabis sativa L.). These crops were selected due to their growing importance in the nutraceutical and medicinal industries, respectively. The research was conducted under controlled environmental conditions, and in the case of blueberry, the effects of carbon dioxide (CO₂) enrichment were also evaluated. The main objective was to analyze how different substrate compositions affect physiological development, nutrient uptake, and crop quality.

Substrate mixtures included coconut fiber, peat, perlite, and wood chips, aiming to assess their impact on physiological indicators such as relative growth rate, stomatal conductance and density, water use efficiency (WUE), and nitrogen use efficiency (NUE). These indicators were essential for understanding plant responses to various soilless cultivation conditions.

In cannabis cultivation, it was observed that mixtures of coconut fiber with peat (70/30) and with peat and perlite (60/30/10) significantly favored vegetative growth, total biomass production, and root development. These combinations also promoted balanced nutrient absorption, particularly of calcium, magnesium, and iron—elements crucial for the synthesis of secondary metabolites. As a result, plants grown in these substrates exhibited more robust architecture and improved overall performance, indicating that such substrate compositions provide a favorable environment to maximize the productive potential of medicinal cannabis.

Regarding blueberries, 100% coconut fiber proved to be the most suitable substrate under standard environmental conditions (25°C day / 20°C night, with relative humidity between 60% and 70%). This substrate promoted taller plant growth, faster development rates, and optimal absorption of key nutrients such as nitrogen, iron, manganese, and zinc. The physical properties of coconut fiber—such as its aeration capacity and water retention—combined with its positive influence on microbial root activity, helped create an ideal rhizosphere environment for the growth of this fruit crop. However, when CO₂ enrichment was introduced in blueberry cultivation, substrate combinations with perlite (90% coconut fiber + 10% perlite) and with peat (70% coconut fiber + 30% peat) outperformed pure coconut fiber in terms of physiological efficiency. These mixtures enhanced both water and nitrogen use efficiencies and promoted a more balanced stomatal response. This can be attributed to the greater porosity and improved physical structure of the mixed substrates, which facilitated better management of water and nutrient dynamics, thus optimizing photosynthesis under CO₂-enriched conditions.

In conclusion, the findings of this research highlight the importance of selecting the appropriate substrate based on environmental conditions and production goals. For cannabis, peat-containing mixtures were highly effective in enhancing mineral nutrition and overall yield. In contrast, pure coconut fiber is ideal for blueberries under standard conditions, while combinations with perlite or peat are recommended for CO₂-enriched environments where enhanced physiological control is essential.

This study provides a strong foundation for future research focused on the molecular analysis of physiological mechanisms related to water and nutrient transport. It also suggests that integrating substrate management strategies with efficient water use and CO₂ enrichment could represent a viable path toward more precise, productive, and high-quality agricultural practices