Production of leaf biomass and bioactive compounds in artichoke and cardoon grown in soilless culture

Abstract

Artichoke and cultivated cardoon (Cynara cardunculus L. subsp. scolymus L. Hegi and var. altilis DC) leaves are rich in bioactive compounds with important beneficial properties for human health. These molecules mainly belong to phenylpropanoids, a class of secondary metabolites in plants. Many nutraceutical products containing Cynara leaf extract are already available mainly for the treatment of gastrointestinal diseases. Nutraceutical market value is rapidly increasing, hence the demand for raw materials is growing and quality standardization is becoming an important characteristic. The design of innovative production protocols of artichoke and cardoon offers the opportunity to obtain consistent and standardized supplies of bioactive compounds to meet the requirements of such growing market. The overall objective of this PhD programme was to evaluate the impact of modulated abiotic stress factors on plant performance, in terms of leaf biomass, biochemical profile and concentration of key bioactive compounds. The study aimed at optimizing the stress induction in order to balance the increase in key bioactive compounds with a limited loss of leaf biomass yield. Experiments of leafy biomass production of artichoke and cardoon were conducted in a floating system; saline and/or nutritional stresses were induced by proper formulation of the nutrient solution. Evaluation of leaf biomass quality was carried out by biochemical analysis of total and target polyphenols. Firstly, the effect of chloride salts (NaCl, KCl, and CaCl2) on biomass yield and quality was tested. KCl showed the major effectiveness among treatments in terms of elicitation effect on secondary metabolism. Metabolomic analysis on artichoke leaves exposed to KCl stress was performed in order to better investigate on metabolic changes induced by KCl. An important involvement of phytohormones in stress response and secondary metabolism induction was found. Subsequently, the relief effect of calcium on NaCl treated plants of cardoon was tested through a comparison between iso-molar treatments with NaCl and NaCl plus CaCl2. The experiemental design allowed to separate the osmotic from the ionic effects of salinity. Results showed that calcium was able to alleviate the detrimental effect of NaCl on leaf biomass yield preserving the increase of bio-compounds synthesis induced by salinity. Considering that also nitrogen deficiency can lead to secondary metabolism induction, further experiments were conducted in order to evaluate the crop effect of a decreasing NO3 -:Cl- ratio and of the deprivation of nitrate from the nutrient solution. Results demonstrated that the use of N-free nutrient solution before harvest or the reduction of NO3 -:Cl- ratio improved the nutraceutical quality of leaves. From an environmental and agronomical point of view the results obtained offer new sustainable technical solutions for the production of artichoke and cardoon leaves in floating system. Overall the results demonstrated that the mild saline stress and the reduction of nitrates in the nutrient solution allow to obtain in a short growing cycle high quality of leaf biomass in artichoke and cardoon.

Le foglie di carciofo e cardo coltivato (Cynara cardunculus L. subsp. scolymus L. Hegi and var. altilis DC) sono ricche di composti bioattivi con interessanti proprietà terapeutiche per l’uomo. Queste molecole appartengono principalmente al gruppo dei fenilpropanoidi, una delle classi chimiche dei prodotti del metabolismo secondario delle piante. Numerosi prodotti nutraceutici contenenti estratto di foglie di Cynara spp. sono reperibili sul mercato principalmente per il trattamento di disturbi gastrointestinali. Il valore del mercato dei prodotti nutraceutici sta crescendo rapidamente, di conseguenza la richiesta di materia prima sta aumentando e la standardizzazione della qualità sta diventando una caratteristica di notevole interesse. Lo studio di protocolli produttivi innovativi per il carciofo e il cardo offre l’opportunità di fornire un approvvigionamento costante e di qualità di composti bioattivi, andando incontro alle attuali esigenze di mercato. Obiettivo generale del programma di ricerca è stato quello di valutare l’impatto di stress abiotici sulla performance delle piante in termini di resa di biomassa fogliare, profilo biochimico e concentrazione di composti bioattivi chiave in carciofo e cardo. Le prove sperimentali di produzione di biomassa fogliare di carciofo e cardo sono state allestite in floating system e gli stress di tipo salino e/o nutrizionale sono stati indotti mediante opportuna formulazione della soluzione nutritiva. I risultati relativi alla qualità della biomassa sono stati ottenuti dall’analisi biochimica del contenuto di polifenoli totali e target. Inizialmente è stato testato l’effetto di diversi cloruri (NaCl, KCl, and CaCl2) in termini di resa e qualità della biomassa. KCl ha mostrato la miglior efficacia in termini di effetto elicitorio sul metabolismo secondario e di resa in biomassa. Sono state condotte analisi di metabolomica su foglie di carciofo esposte a stress indotto da KCl al fine di approfondire la comprensione dei cambiamenti metabolici indotti da tale trattamento. I risultati hanno mostrato un coinvolgimento di diversi fitormoni nella risposta allo stress e nell’induzione del metabolismo secondario. In un successivo esperimento, è stato testato l’effetto dello ione calcio in piante di cardo trattate con NaCl utilizzando soluzioni nutritive iso-molari contenti NaCl o NaCl e CaCl2. L’impostazione sperimentale ha permesso di distinguere l’effetto osmotico della salinità da quello ionico. I risultati hanno dimostrato che il calcio è in grado di alleviare l’effetto negativo di NaCl sulla resa in biomassa mantenendo l’incremento di biosintesi dei metaboliti secondari indotto dalla salinità. Considerando che anche il deficit di azoto nelle piante può portare all’induzione del metabolismo secondario, ulteriori prove sperimentali sono state allestite al fine di valutare l’effetto di un rapporto decrescente tra NO3 -:Cl- e della privazione di nitrato nella soluzione nutritiva. I risultati hanno dimostrato che l’uso di una soluzione nutritiva priva di nitrato in prossimità della raccolta o la riduzione del rapporto NO3 -:Cl- possono migliorare la qualità nutraceutica delle foglie. Da un punto di vista ambientale e agronomico i risultati ottenuti offrono nuove soluzioni tecniche per la produzione in floating system di biomassa fogliare di cardo e carciofo. È estato infatti dimostrato che l’uso di soluzioni moderatamente saline e con ridotta concentrazione di nitrati permette di ottenere nel corso di brevi cicli colturali un’elevata qualità della biomassa di foglie di cardo e carciofo.