[en] Background The problems faced by today agriculture are well known. These include limited cultivation resources, such as available fertile soil and water; climate change, with alternation of drought periods and massive rainfall events; increasing world population and its concentration in urban areas; to name some. In this context, the need to approach an innovative agriculture characterized by strong technological input is of fundamental importance. A technological upgrade may help not only to ensure a major and controlled production with the least amount of cultivation inputs, but also to lead to the creation of more sustainable and resilient food systems in which rural and urban production, also passing through a building integration (e.g., rooftop greenhouses), can be merged to foster local production and consumption with consequent economic, social and environmental benefits. The application of high-tech greenhouses characterized by climate control systems, soilless cultivation for the optimization of water and nutrient resources, and the use of supplemental artificial light under conditions of limited solar radiation, have already demonstrated an effective capacity to ensure increased production, especially for tomato. In high latitude countries, these systems have become the norm, reaching yields of about 60 kg m-2 of tomato in the Netherlands, compared to 28 kg m-2 in Almeria, Spain. Indeed, the Mediterranean greenhouse farming context continues to apply mainly low-tech cropping systems, given by passive climate control, soil cultivation and suboptimal covers for internal light condition, which can guarantee limited initial investment costs, but affecting productive capacity and efficiency of management costs in the long term. Among the various aspects to be investigated for a technological and productive upgrade of the Mediterranean area, the application of supplementary LED interlighting still shows limited interest. In fact, the better solar radiation distribution over the year in confront to the northern area countries might suggest an unnecessary application of this technology in the southernmost contexts. However, high-density tomato cultivation with intensive high-wire systems could lead to mutual shading and consequent reduction in photosynthesis and yield, even in case of appreciable amounts of external solar radiation. Applications of interest could also involve off-season production or application in Building-Integrated Agriculture (BIA) such rooftop greenhouses, where municipal regulations for structure and fire safety could limit the incoming radiation in the growing area. Alongside these aspects, additional LED light could also affect some morpho-physological aspects, with consequences on nutraceutical properties, post-harvest quality, and seedlings production. Objective The aim of this research was to investigate diversified applications of supplemental LED interlighting for greenhouse tomato production (Solanum lycopersicum), with a specific focus on the Mediterranean countries. Accordingly, the targeted research questions were: • RQ1: What is the current state of tomato cultivation with additional LED light and what aspects still need to be explored? (Chapter 1 and 2). • RQ2: What is the potential of supplemental LED light to reduce structural shadings and limited transmission of solar radiation in case of tomato cultivation in Integrated Rooftop Greenhouses (i-RTGs)? (Chapter 3). • RQ3: Could supplemental LED light during cultivation affect post-harvest quality of tomato? (Chapter 4). • RQ4: Beside fruit production, could the application of supplemental LED light interest other commercial areas such as tomato seedlings production? (Chapter 5). • RQ5: Could the use of additional LED light influence some management aspects of tomato cultivation such as defoliation, whit consequences on qualitative and quantitative aspects of production? (Chapter 6). Materials and Methods The method used for research development involved two phases: a first phase of defining the state of the art of the research topic and possible aspects to be implemented (RQ1), and a second phase of experimental application basing on the previous observations (RQ2, 3, 4 and 5). The first phase was carried out with a systematic and meta-analytic method, and consisted in: the evaluation of the research outputs of the available literature on the topic of supplemental LED light for tomato cultivation (Chapter 1), and the analysis of worldwide development of Rooftop Agriculture (RA) as a potential sector of supplemental LED light application (Chapter 2). The second phase consisted in the development of four experiments (Chapter 3, 4, 5, 6). The first experiment aimed to answer the RQ2, applying the following light treatments: Red and Blue in a 3 ratio (RB), Red and Blue in a 3 ratio + Far-Red (FR) the whole day, and Red and Blue in a 3 ratio + Far-Red at the end-of-day for 30 min (EOD). The light treatments were added to natural sunlight for 16 h d-1 (8-00 am) with an intensity around 170 µmol m-2 s-1. A control grown under natural light was also considered (CK). The second experiment answered the RQ3, applying the same treatments of first experiment to evaluate the effects of supplemental LED light during cultivation on tomato post-harvest quality, after 1 week of storage in the dark at 13°C. The third experiment answered the RQ4, using the light treatments of previous experiments to evaluate morpho-physiological response of tomato seedlings. Finally, the fourth experiment, that answered the RQ5, considered the combination of two defoliation regimes, namely leaf removal before harvesting (R) or non-removal (NR), with RB or CK treatments. Results RQ1: The meta-analytical evaluation of the application of supplementary LED light for tomato cultivation showed an effective ability to increase the yield (+40%), soluble solid (+6%) and ascorbic acid (+11%) contents, leaf chlorophyll content (+31%), photosynthetic capacity (+50%) and leaf area (+9%). The analysis also revealed a limited application of the technology in the Mediterranean % worldwide development of RA showed a growth of the sector, with potentially interesting scope applications of additional LED light to improve rooftop greenhouse production (Chapter 1 and 2). RQ2: The application of supplemental LED light in an i-RTG showed the potential to overcome light limitations due to structural shadings and low transmissivity of fireproof covering materials independently of spectrum quality. In particular, LED treated plants achieved a yield increase by 17% compared to the control grown under natural light (CK), which showed 9.3% lighter and 7.2% fewer fruits (Chapter 3). RQ3: Pre-harvest application of LED supplemental lighting positively affected the post-harvest quality of tomatoes after one week of storage at 13°C. Particularly, RB and FR increased fruit firmness compared to CK. Furthermore, RB fruit maintained a higher content of lycopene and β-carotene after the one week of storage compared to CK (Chapter 4). RQ4: Supplemental LED light showed affect growth indexes and morpho-physiological response of tomato seedlings depending on lighting treatment. In particular, RB and FR treatments resulted in improved plants compactness, contemporarily guaranteeing a good chlorophyll content. Among treatments supplied with artificial lighting, EOD plants presented longer hypocotyls, still maintaining high chlorophyll content. On the other hand, CK plants presented longer hypocotyls, higher leaf area and lower chlorophyll content, also showing higher Specific Leaf Area (SLA) and Leaf Area Ratio (LAR) (Chapter 5). RQ5: The application or non-application of defoliation seems to have not significant effects on tomato plants yield and other vegetative parameters, independently of combination with supplemental LED light (RB) or natural light alone (CK). However, plants subjected to leaf removal showed a significantly decreased content of soluble solids, also presenting a higher transpiration. The application of RB treatment showed a significant capacity to increase tomato total yield (+118%) as compared to CK during the wintertime (Chapter 6). Conclusions From the results, it is possible to conclude that the application of supplemental LED light on greenhouse-grown tomato, with a specific focus on the Mediterranean countries, has potential to foster diverse applications. In particular, it can increase production in case of the limited solar radiation in i-RTGs, maintain quality and reduce losses during post-harvest, and showed potential for the sector of seedlings production. Suggestions for future research Despite the positive results obtained, some aspects of the application of additional LED light in Southern Europe countries still need to be deepened and improved. In particular, given the current increase of electricity cost, future research should focus on more economically valuable methods of managing supplemental lighting, such as the application of shorter photoperiods or lower intensities, or techniques that can provide energy savings such as the pulsed light. Further investigation should also concern post-harvest quality evaluation, considering longer storage periods and evaluations of tomatoes at earlier stages of development. Moreover, the EOD treatment, which showed a greater elongation of the hypocotyls in tomato seedlings, could be tested on grafting varieties to favor the production of easier manageable and higher quality rootstocks. Finally, the extension of tomato seedlings evaluation until fruiting stage should also be considered to better understand the effects that additional light at the beginning of plant development may have on the distribution of assimilates.

[es] Antecedentes Los problemas a los que se enfrenta la agricultura actual son bien conocidos. Entre ellos, la limitación de los recursos de cultivo, como el suelo fértil y el agua disponibles; el cambio climático, con la alternancia de periodos de sequía y eventos de lluvias masivas; el aumento de la población mundial y su concentración en zonas urbanas; por nombrar algunos. En este contexto, la necesidad de abordar una agricultura innovadora caracterizada por un fuerte aporte tecnológico es de fundamental importancia. Una actualización tecnológica puede ayudar no sólo a garantizar una producción mayor y controlada con la menor cantidad de insumos de cultivo, sino también a la creación de sistemas alimentarios más sostenibles y resilientes en los que la producción rural y urbana, pasando también por una integración en edificio (por ejemplo, invernaderos en azoteas), puedan fusionarse para fomentar la producción y el consumo local con los consiguientes beneficios económicos, sociales y ambientales. La aplicación de invernaderos de alta tecnología caracterizados por sistemas de control climático, el cultivo sin suelo para la optimización de los recursos de agua y nutrientes, y el uso de luz artificial suplementaria en condiciones de radiación solar limitada, ya han demostrado una capacidad efectiva para garantizar el aumento de la producción, especialmente del tomate. En los países de alta latitud, estos sistemas se han convertido en la norma, alcanzando rendimientos de unos 60 kg m-2 de tomate en los Países Bajos, frente a los 28 kg m-2 de Almería (España). De hecho, en el contexto de la agricultura mediterránea en invernadero se siguen aplicando principalmente sistemas de cultivo de baja tecnología, dados por el control climático pasivo, el cultivo en suelo y las cubiertas subóptimas para la condición lumínica interna, que pueden garantizar unos costes de inversión iniciales limitados, pero que afectan a la capacidad productiva y a la eficiencia de los costes de gestión a largo plazo. Entre los diversos aspectos que deben investigarse para una mejora tecnológica y productiva de la zona mediterránea, la aplicación de la interiluminación LED suplementaria sigue mostrando un interés limitado. De hecho, la mejor distribución de la radiación solar a lo largo del año en comparación con los países del área norte podría sugerir una aplicación innecesaria de esta tecnología en los contextos más meridionales. Sin embargo, el cultivo de tomates en alta densidad entutorados en forma vertical podría provocar un sombreado mutuo y la consiguiente reducción de la fotosíntesis y del rendimiento, incluso en caso de cantidades apreciables de radiación solar externa. Las aplicaciones de interés también podrían incluir la producción fuera de temporada o la aplicación en la Agricultura Integrada en Edificios (BIA), como los invernaderos en azoteas, donde las regulaciones municipales para la estructura y la seguridad contra incendios podrían limitar la radiación entrante en la zona de cultivo. Además de estos aspectos, la luz LED adicional también podría afectar a algunos aspectos morfo-fisiológicos, con consecuencias en las propiedades nutracéuticas, la calidad postcosecha y la producción de plántulas. Objetivo El objetivo de esta investigación fue investigar aplicaciones diversas de interiluminación LED suplementaria para la producción de tomate en invernadero (Solanum lycopersicum), con un enfoque específico en el contexto mediterráneo. En consecuencia, las preguntas de investigación que se plantearon fueron las siguientes: • RQ1: ¿Cuál es el estado actual del cultivo de tomate con luz LED suplementaria y qué aspectos quedan por explorar? (Capítulos 1 y 2). • RQ2: ¿Cuál es el potencial de la luz LED suplementaria para reducir los sombreados estructurales y la transmisión limitada de la radiación solar en el caso del cultivo de tomate en invernaderos de cubierta integrados (i-RTG)? (Capítulo 3). • RQ3: ¿Podría la luz LED suplementaria aplicada durante el cultivo afectar a la calidad postcosecha del tomate? (Capítulo 4). • RQ4: Además de la producción de fruta, ¿podría la aplicación de luz LED suplementaria interesar a otras áreas comerciales como la producción de plántulas de tomate? (Capítulo 5). • RQ5: ¿Podría el uso de luz LED adicional influir en algunos aspectos de gestión de la producción de tomate como la defoliación, con consecuencias en los aspectos cualitativos y cuantitativos de la producción? (Capítulo 6). Materiales y métodos El método utilizado para el desarrollo de la investigación implicó dos fases: una primera fase de definición del estado del arte del tema de investigación y de los posibles aspectos a implementar (RQ1), y una segunda fase de aplicación experimental basada en las observaciones previas (RQ2, 3, 4 y 5). La primera fase se llevó a cabo con un método sistemático y meta-analítico, y consistió en: la evaluación de los resultados de la búsqueda de la literatura disponible sobre el tema de la luz LED suplementaria para el cultivo del tomate (Capítulo 1), y el análisis del desarrollo mundial de la Agricultura de Azotea (RA) como un sector potencial de aplicación de la luz LED suplementaria (Capítulo 2). La segunda fase consistió en el desarrollo de cuatro experimentos (Capítulos 3, 4, 5 y 6). El primer experimento tenía como objetivo responder a la RQ2, aplicando los siguientes tratamientos de luz: Rojo y Azul en una proporción de 3 (RB), Rojo y Azul en una proporción de 3 + Rojo Lejano (FR) durante todo el día, y Rojo y Azul en una proporción de 3 + Rojo Lejano al final del día durante 30 min (EOD). Los tratamientos de luz se añadieron a la luz solar natural durante 16 h d-1 (8-00 am) con una intensidad de alrededor de 170 µmol m-2 s-1. También se consideró un control cultivado bajo luz natural (CK). El segundo experimento respondió a la RQ3, aplicando los mismos tratamientos del primer experimento para evaluar los efectos de la luz LED suplementaria durante el cultivo sobre la calidad postcosecha del tomate, después de 1 semana de almacenamiento en la oscuridad a 13° C. El tercer experimento respondió a la RQ4, utilizando los tratamientos de luz de los experimentos anteriores para evaluar la respuesta morfo-fisiológica de las plántulas de tomate. Finalmente, el cuarto experimento, que respondió a la RQ5, consideró la combinación de dos regímenes de defoliación, que consistieron en el deshoje antes de la cosecha (R) o el no deshoje (NR), con tratamientos de luz RB o CK. Resultados RQ1: La evaluación meta-analítica de la aplicación de luz LED suplementaria para el cultivo de tomate mostró que tiene una capacidad efectiva para aumentar el rendimiento (+40%), los contenidos de sólidos solubles (+6%) y de ácido ascórbico (+11%), el contenido de clorofila de la hoja (+31%), la capacidad fotosintética (+50%) y el área foliar (+9%). El análisis también reveló una aplicación limitada de la tecnología en el contexto mediterráneo, así como una evaluación limitada de los aspectos nutracéuticos. Además, la evaluación del desarrollo mundial de la AR mostró un crecimiento del sector, con aplicaciones de la luz LED suplementaria de alcance potencialmente interesante para mejorar la producción de los invernaderos de techo (Capítulos 1 y 2). RQ2: La aplicación de luz LED suplementaria en un i-RTG mostró su potencial para superar las limitaciones de luz debidas a los sombreados estructurales y a la baja transmisividad de los materiales de cubierta ignífugos, independientemente de la calidad del espectro. En particular, las plantas tratadas con LED lograron un aumento del rendimiento del 17% en comparación con el control cultivado con luz natural (CK), que se mostró un 9.3% más ligero y un 7.2% menos de frutos (Capítulo 3). RQ3: La aplicación de iluminación suplementaria LED antes de la cosecha afectó positivamente a la calidad postcosecha de los tomates tras una semana de almacenamiento a 13°C. En particular, RB y FR aumentaron la firmeza de los frutos en comparación con CK. Además, los frutos RB mantuvieron un mayor contenido de licopeno y β-caroteno después de una semana de almacenamiento en comparación con CK (Capítulo 4). RQ4: La luz LED suplementaria mostró afectar los índices de crecimiento y la respuesta morfo-fisiológica de las plántulas de tomate dependiendo del tratamiento de iluminación. En particular, los tratamientos RB y FR dieron lugar a una mejora de la compactación de las plantas, garantizando al mismo tiempo un buen contenido de clorofila. Entre los tratamientos suministrados con iluminación artificial, las plantas EOD presentaron hipocótilos más largos, manteniendo un alto contenido de clorofila. Por otro lado, las plantas CK presentaron hipocótilos más largos, mayor área foliar y menor contenido de clorofila, mostrando también mayor Área Foliar Específica (SLA) y Relación de Área Foliar (LAR) (Capítulo 5). RQ5: La aplicación o no de la defoliación no parece tener efectos significativos sobre el rendimiento de las plantas de tomate y otros parámetros vegetativos, independientemente de la combinación con luz LED suplementaria (RB) o luz natural sola (CK). Sin embargo, las plantas sometidas al deshoje mostraron un contenido de acidez significativamente mayor y un contenido de sólidos solubles menor, presentando además una mayor transpiración. La aplicación del tratamiento RB mostró una capacidad significativa para aumentar el rendimiento del tomate (+118%) en comparación con CK durante el invierno (Capítulo 6). Conclusiones A partir de los resultados, se puede afirmar que la aplicación de luz LED suplementaria en el tomate cultivado en invernadero en el contexto mediterráneo tiene potencial para fomentar diversas mejoras. En particular, puede aumentar la producción en caso de que la radiación solar sea limitada en los i-RTG, mejorar la calidad postcosecha y garantizar la producción de plántulas de calidad. Sugerencias para futuras investigaciones A pesar de los resultados positivos obtenidos, todavía es necesario profundizar y mejorar algunos aspectos de la aplicación de la luz LED adicional en el contexto mediterráneo. En particular, dado el actual aumento del coste de la electricidad, la investigación futura debería centrarse en métodos más económicos para gestionar la iluminación suplementaria, como la aplicación de fotoperiodos más cortos o intensidades más bajas, o técnicas que puedan proporcionar un ahorro de energía como la luz pulsada. Futuras investigaciónes también debería referirse a la evaluación de la calidad postcosecha, considerando períodos de almacenamiento más largos y evaluaciones de los tomates en etapas más tempranas del desarrollo. Además, el tratamiento EOD, que mostró una mayor elongación de los hipocótilos en las plántulas de tomate, podría ser probado en variedades de injerto para favorecer la producción de portainjertos más manejables y de mayor calidad. Por último, también debería considerarse la prolongación de la evaluación de las plántulas de tomate hasta la fase de fructificación para comprender mejor los efectos que la luz adicional al principio del desarrollo de la planta puede tener en la distribución de los asimilados.