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Title: Characterization and selection of globe artichoke and cardoon germplasm for biomass, food and biocompound production
Other Titles: Caratterizzazione e selezione di germoplasma di carciofo e cardo per la produzione di biomassa, edule e di biomolecole
Authors: Ciancolini, Anna
Keywords: HPLC;Ase;Polyphenols;Biomass;Molecular markers;Genetic variability;Polifenoli;Biomassa;Marcatori molecolari;Variabilità genetica;AGR/04
Issue Date: 6-Jul-2012
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato in ortoflorofrutticoltura 24. ciclo
Globe artichoke and cardoon, belonging to the Asteraceae (Compositae) family, are herbaceous
perennial plants native to the Mediterranean area, which are traditionally grown as vegetables for
the heads and the fleshy petiole leaves, respectively.
Italy is the richest reserve of globe artichoke (Cynara cardunculus var. scolymus L.) autochthonous
germplasm, which is vegetatively propagated and well adapted to the different pedoclimatic
conditions of the Country. On the basis of head harvest time, these traditionally grown genetic
resources are classified as early or late distinct clonal varietal groups. Other distinct varietal groups
are also identified, according to the morphological traits of the head, into four main typologies such
as Violetto di Sicilia, Spinoso Sardo, Catanese and Romanesco.
In Central Italian environments, the Romanesco type, characterized by a spherical or sub-spherical
and non-spiny green-violet heads, is widespread. In the last years, the development of in vitro
technologies allowed the propagation of Romanesco globe artichoke type and its rapid expansion.
As a result, the Romanesco clone C3 has been in vitro micropropagated and widely distributed to
the farmers. This clone has replaced many Romanesco landraces traditionally grown in the Latium
Region and has led either to a significant erosion of local genetic resources or a loss of diversity.
Moreover, introduction of new seed-propagated F1 hybrids such as Madrigal, Concerto, Opal, Tema,
and Romolo, well suited to market demands, represents a further factor increasing the risk of
genetic erosion for autochthonous germplasm. As regards Italian cultivated cardoon (Cynara
cardunculus var. altilis DC) germplasm, there are few studies on its genetic characterization and
identification and there is a lack of information about the genetic variability existing within and
among accessions. For the wild cardoon (Cynara cardunculus var. sylvestris Lam.), no specialized
crop is present and it represents mainly a weed in Italian environments.
The great variability existing in Cynara spp. has not been described, the nomenclature of Italian
germplasm is not always very clear since there are many cases of homonyms. In addition to this risk
of genetic erosion, in the last years, Italian globe artichoke sector is facing a crisis due principally to
the appearance on the market of foreign products and to the high labor cost required for crop
cultivation and harvesting. In order to overcome this crisis several possible uses of Cynara spp.
were considered such as i) seeds for oil, ii) roots for inulin, iii) biomass for energy, iv) fiber for pulp
and paper and as potential reinforcement in polymer composites v) green forage for ruminant
feeding, vi) proteins as natural rennet for traditional cheese making, and vii) entire plant for metalaccumulation.
These new possible applications of the crop are linked principally to the European
Union research support on new agricultural by-products (industrial raw materials) and led to an
increasing interest also in aboveground globe artichoke biomass.
Considering these preliminary remarks, a strategy for valorizing Italian germplasm using biomass
and biocompound production has been carried out during the three years of PhD program. In
particular, nine Italian spring landraces (Ascolano, Campagnano, Castellammare, Jesino,
Montelupone A, Montelupone B, Bianco di Pertosa, Pisa and Tondo Rosso di Paestum), ten
‘Romanesco’ clones (S2, S3, S5, S11, S17, S18, S22,S23, Grato 1 and Campagnano), seven
cultivated cardoon accessions (AFB, AFFG, AFGR, AFGI, AFM, AFM2, AFN) and AFS wild
cardoon belonging to the joint germplasm collection of Tuscia University and ENEA have been
considered in our PhD study.
Open field trials were conducted at the Experimental Field Station of ARSIAL (Latium Regional
Agency for the Development and the Innovation of Agriculture) in Cerveteri, Rome and in
Tarquinia, Viterbo while greenhouse experiments were carried out at the Experimental Station of
Tuscia University in Viterbo (Italy).
The first objective of PhD work consisted in (i) characterizing agro-morphologically Italian
germplasm using UPOV descriptors, (ii) assessing the genetic variability existing within and among
landraces/clones and (iii) identifying and preserving genetic resources for the development of future
plant breeding programs. As a result of this characterization, three genotypes have been selected
and registered under the names of Michelangelo, Donatello and Raffaello. In order to analyze
Italian Cynara spp. germplasm also from a biomass point of view, different traits explaining plant
vigor and dry matter production have been considered. The aerial biomass yield resulted very high
underlining the possibility of using this crop as raw industrial material. In particular, some
genotypes, such as Ascolano, Campagnano, Pisa, Bianco di Pertosa for globe artichoke and AFFG
and AFM for cardoon showed the highest biomass yield.
A focal point of PhD program was to set up biocompound extraction methods and analysis
techniques to optimize polyphenol recovery from biomass of Cynara spp at a laboratory scale. In
particular, conventional (i.e. Soxhlet and maceration) and modern extraction techniques (such as
Microwave-Assisted Extraction MAE, and Accelerated Solvent Extraction ASE) have been
compared and, using a full two-level factorial experimental design, ASE was found as the best
extraction technique which allows to reduce extraction time and solvent consumption, increase
nutraceutical yield and improvement of extract quality. Moreover, the kinetics of biomass and biocompound
production has been evaluated and the optimal physiological stage to collect plant
material grown in open field has been identified.
Biochemical characterization has been performed using the methods set up and collecting plant
material in the optimal physiological stage identified in order to distinguish which genotypes were
more suitable for bio-compound production purpose. As a result of morphological and biochemical
characterization, genotypes were well distinguished from each other and were identified those
which are the most suitable for food use, for biomass production and/or for dual-production (food
and non-food).
The last focal point of PhD program was the development of an alternative technique for biomass
and biocompound production in greenhouse grown conditions. The adaptation of globe artichoke
and cardoon genotypes to floating system has been evaluated and the biochemical and molecular
responses of the plant to the salinity stress have been also investigated.
Results obtained in the three PhD years, highlighted the possibility of using successfully some
Cynara spp. genotypes for biomass and bio-compound production, in particular in open field
condition. Also the real prospect of using some globe artichoke genotypes for food and non-food
dual-production (biomass for biocompound extraction and heads for human food) has been

Il carciofo e il cardo, appartenenti alla famiglia delle Asteraceae (Compositae), sono delle piante
erbacee, perenni, originarie del bacino del Mediterraneo e tradizionalmente coltivate a scopo
alimentare rispettivamente per i capolini e le foglie carnose.
L’Italia rappresenta una delle più ricche riserve di germoplasma autoctono di carciofo (Cynara
cardunculus var. scolymus L.), il quale è propagato vegetativamente e ben adattato alle differenti
condizioni pedoclimatiche del nostro Paese. Sulla base dell’epoca di maturazione commerciale dei
capolini, i genotipi di carciofo vengono classificati in tipologie precoci e autunnali. Un altro criterio
di classificazione, basato sulle caratteristiche morfologiche dei capolini, suddivide i suddetti
genotipi in quattro gruppi varietali: ‘Violetto di Sicilia’, dello ‘Spinoso Sardo’, del ‘Catanese’ e del
La tipologia ‘Romanesco’, caratterizzata da capolini inermi di forma rotonda o ellittica e di colore
verde-viola, è molto diffusa negli ambienti di coltivazione cinaricola dell’Italia centrale. Negli
ultimi anni, la messa a punto della tecnica di propagazione in vitro per il carciofo, ha portato ad una
rapida diffusione di cloni della tipologia ‘Romanesco’. In particolare, il clone C3 propagato in vitro
ha conosciuto una grande diffusione nelle aree di coltivazione cinaricola, sostituendo molte varietà
afferenti alla tipologia ‘Romanesco’ tradizionalmente coltivate nel Lazio e determinando rischi di
erosione genetica per queste risorse genetiche. Inoltre, l’introduzione sul mercato di nuovi ibridi F1
come Madrigal, Concerto, Opal, Tema, and Romolo, meglio rispondenti alle richieste dei
consumatori, rappresenta un ulteriore fattore di rischio per la perdita del germoplasma autoctono.
Per quanto riguarda il cardo coltivato (Cynara cardunculus var. altilis DC), esistono pochi studi
sulla caratterizzazione genetica e sull’identificazione del germoplasma autoctono e mancano dati
riguardanti la variabilità genetica esistente tra ed entro accessioni diverse. Per il cardo selvatico
(Cynara cardunculus var. sylvestris Lam.), non sono presenti coltivazioni specializzate ed esso
rappresenta un’infestante negli ambienti di coltivazione cinaricola italiani.
L’ampia variabilità esistente nel germoplasma di Cynara spp. non è stata descritta; la nomenclatura
delle risorse genetiche non è spesso chiara e spesso si trovano casi di omonimia. Oltre a questo
rischio di erosione genetica, negli ultimi anni assistiamo anche ad una forte crisi del settore
cinaricolo dovuta alla comparsa sul mercato di prodotti stranieri e all’alto costo di produzione e di
raccolta previsti dalla coltura. Negli ultimi decenni, per far fronte a questa crisi, sono stati
considerati diversi possibili usi per la specie quali, ad esempio, i) la produzione di olio dai semi; ii)
l’estrazione di inulina dalle radici; iii) la produzione di energia dalla biomassa; iv) l’estrazione della
fibra per l’industria cartaria; v) la produzione di foraggio da destinare all’alimentazione animale; vi)
la produzione di formaggi come caglio vegetale mediante impiego di estratti fiorali; vii) l’accumulo
di metalli pesanti nella pianta.
Lo studio di questi nuovi possibili utilizzi è stato reso possibile grazie ai finanziamenti della
Comunità Europea che ha incentivato e supportato la ricerca nel settore delle agrorisorse e ha
portato anche ad un forte interesse nell’uso della biomassa di carciofo.
Nel corso dei tre anni di dottorato è stata portata avanti una strategia di ricerca volta alla
valorizzazione del germoplasma italiano di carciofo e cardo basata sull’uso della biomassa per
l’estrazione di biomolecole. In particolare, sono stati considerati nove genotipi autoctoni primaverili
(Ascolano, Campagnano, Castellammare, Jesino, Montelupone A, Montelupone B, Bianco di
Pertosa, Pisa and Tondo Rosso di Paestum), dieci cloni della tipologia ‘Romanesco’ (S2, S3, S5,
S11, S17, S18, S22, S23, Grato 1 and Campagnano), sette genotipi di cardo coltivato (AFB, AFFG,
AFGR, AFGI, AFM, AFM2, AFN) e un genotipo di cardo selvatico (AFS), tutti appartenenti alla
collezione di germoplasma dell’Università della Tuscia e dell’ENEA. Le prove sperimentali di
campo sono state svolte presso l’Azienda sperimentale ARSIAL (Agenzia Regionale per lo
Sviluppo e l’Innovazione in Agricoltura) di Cerveteri (Roma) e di Tarquinia (Viterbo), mentre le
prove di serra sono state condotte nella Azienda Sperimentale dell’Università della Tuscia, a
Viterbo (Italia).
Il primo obiettivo del dottorato ha riguardato i) la caratterizzazione agro-morfologica del
germoplasma italiano per mezzo dei descrittori UPOV, ii) la valutazione della variabilità genetica
esistente tra ed entro i genotipi, e iii) l’identificazione e la conservazione delle risorse genetiche in
collezione per lo sviluppo futuro di programmi di miglioramento genetico.
La caratterizzazione del germoplasma ha portato alla selezione di tre genotipi validi per la
produzione edule che sono stati validati e proposti per l’iscrizione al Registro Nazionale delle
Varietà con i nomi di Michelangelo, Donatello e Raffaello. Al fine di caratterizzare il germoplasma
anche da un punto di vista della biomassa, sono stati anche considerati diversi caratteri morfologici
atti a descrivere il vigore della pianta e a quantificare la produzione di sostanza secca. La
produzione di biomassa è risultata davvero molto interessante nel nostro lavoro e si è sottolineato il
grande potenziale di utilizzo della coltura nel settore industriale. Alcuni genotipi come Ascolano,
Campagnano, Pisa e Bianco di Pertosa, per il carciofo, e AFFG e AFM, per il cardo, sono risultati
davvero interessanti dal punto di vista della produzione di biomassa.
Un altro importante obiettivo del dottorato è stato quello di mettere a punto un metodo per
l’estrazione di polifenoli al fine di ottimizzare le rese. Sono state messe a confronto tecniche
convenzionali (ad esempio metodo Soxhlet e macerazione) ed altre più innovative (ad esempio
Microwave Assisted Extraction - MAE e Accelerated Solvent Extraction - ASE). La tecnica ASE ha
fornito i migliori risultati, consentendo anche di ridurre i tempi d’estrazione e il consumo di
solvente, fornendo al tempo stesso alte rese e elevata qualità degli estratti.
E’ stato anche condotto lo studio della cinetica di accumulo della biomassa e delle biomolecole in
campo al fine di individuare il momento migliore per la raccolta del materiale in campo ed
ottimizzare le rese. Una volta messo a punto il metodo d’estrazione e individuata l’epoca ottimale
per il prelievo delle biomasse in campo, si è andati ad effettuate le estrazioni al fine di caratterizzare
biochimicamente i genotipi in prova e di selezionere quelli più rispondenti a tale attitudine.
La caratterizzazione morfologica e biochimica hanno permesso di ben identificare i genotipi e di
selezionare quelli più adatti per la produzione di capolini (‘food production’), di biomassa o per la
duplice attitudine (food and non-food).
Nel corso del dottorato si è anche valutato un sistema alternativo per la produzione di biomassa e di
biomolecole in serra. E’ stata valutata l’adattabilità del carciofo e del cardo al sistema di
coltivazione fuori suolo (floating system), soprattutto per evidenziare risposta biochimica e
molecolare delle piante sottoposte allo stress salino in termini di aumento nella produzione di
sostanze fenoliche.
I risultati ottenuti nel corso del dottorato hanno messo in luce la reale possibilità di usare alcuni
genotipi di carciofo e di cardo per la produzione edule, altri per quella di biomassa e di
biomolecole, soprattutto in condizioni di pieno campo. Si è inoltre delineata una reale prospettiva
per l’impiego di alcuni genotipi di carciofo in una duplice destinazione commerciale (biomassa per
l’estrazione di biomolecole e capolini per la destinazione alimentare).
Dottorato di ricerca in Ortoflorofrutticoltura
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