Characterization and selection of globe artichoke and cardoon germplasm for biomass, food and biocompound production

L'artichaut et le cardon, appartenant à la famille des Asteraceae (Compositae), sont des plantes pérennes herbacées natives du bassin méditerranéen, et qui sont traditionnellement cultivées comme plantes maraîchères, respectivement pour leurs têtes et leurs cardes. L'Italie est le pays possédant la plus importante collection de germoplasmes autochtones d'artichaut. Dans le centre de l'Italie, le type Romanesco est étendu. Ces dernières années, le développement des techniques in vitro a permis la multiplication de l'artichaut Romanesco et sa rapide expansion. Le clone Romanesco C3 a ainsi remplacé de nombreuses races locales de Romanesco, contribuant de la sorte à une érosion significative des ressources génétiques locales. Concernant le germoplasme de cardon cultivé, seules quelques études sont disponibles sur son identification et sa caractérisation génétique. Le cardon sauvage, n'est pas du tout cultivé; il est davantage considéré comme une adventice dans le paysage italien. La grande variabilité existant entre les espèces de Cynara n'est pas correctement décrite et il existe plusieurs cas d'homonymes. Le secteur de l'artichaut italien a du faire face ces dernières années à une crise causée principalement par l'apparition sur le marché de produits étrangers et par les coûts élevés de mise en culture et de récolte. Afin de surmonter cette crise, de nombreuses valorisations du Cynara ont été envisagées. Ces potentielles applications pour la culture ont pu voir le jour grâce au support de l'Union européenne pour la recherche sur les co-poduits issus de l'agriculture, et ont mené à un intérêt croissant pour la biomasse entière d'artichaut. Considérant ces remarques préliminaires, une stratégie, qui permettrait de valoriser le germoplasme italien par la production concomitante de biomasse et de biocomposés, a été mise en place durant ces trois ans de doctorat. Le premier objectif de ce travail de doctorat consistait en i) la caractérisation agro-morphologique du germoplasme italien par le biais de descripteurs UPOV, ii) l'évaluation de la variabilité génétique à l'intérieur et entre les races/clones et iii) l'identification et la préservation des ressources génétiques pour le développement de futurs programmes d'amélioration des plantes. Suite à cette caractérisation, trois génotypes ont été sélectionnés et enregistrés sous les noms de Michelangelo, Donatello and Raffaello. Afin d'analyser le germoplasme italien de Cynara d'un point de vue de la biomasse, différents traits expliquant la vigueur de la plante et la production de matière sèche ont été considérés. Le rendement en biomasse aérienne s'est révélé très élevé, soulignant la possibilité d'utiliser cette culture comme matière première industrielle. Un point particulier du programme de thèse était de mettre au point les méthodes d'extraction de biocomposés et les techniques d'analyse afin d'optimiser le rendement en polyphénols à partir de la biomasse de Cynara à l'échelle laboratoire. L'ASE a été reconnue comme étant la meilleure technique. De plus, les cinétiques de production de biomasse et de biocomposés ont été évaluées et le stade physiologique optimal pour collecter le matériel végétal en champ a été identifié. La caractérisation biochimique a été réalisée grâce aux méthodes mises au point et en collectant le matériel végétal au stade physiologique optimal identifié afin de distinguer les génotypes les plus appropriés pour la production de biocomposés. Le dernier point du programme de thèse était centré sur le développement d'une technique alternative de production de biomasse et de biocomposés en conditions de croissance sous serre. Les résultats obtenus mettent en exergue la possibilité d'utiliser avec succès certains génotypes de Cynara pour la production de biomasse et de biocomposés. La perspective réelle d'utiliser certains génotypes d'artichaut pour une double valorisation alimentaire et non-alimentaire a ainsi été soulignée. ABSTRACT : 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 autochthonous germplasm, which is vegetatively propagated and well adapted to the different pedoclimatic conditions of the Country. In Central Italian environments, the Romanesco type 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 micropropagated Romanesco clone C3 has replaced many landraces traditionally grown in the Latium Region and has led either to a significant erosion of local genetic resources. As regards Italian cultivated cardoon 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, 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, 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 industrial uses were considered for the species. 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. 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. 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, 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 bio-compound 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. The last focal point of PhD program was the development of an alternative technique for biomass and biocompound production in greenhouse grown conditions. 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 underlined

Caractérisation et sélection de germoplasmes d'artichaut et de cardon pour l'alimentation et la production de biomasse et de biocomposés

L'artichaut et le cardon, appartenant à la famille des Asteraceae (Compositae), sont des plantes pérennes herbacées natives du bassin méditerranéen, et qui sont traditionnellement cultivées comme plantes maraîchères, respectivement pour leurs têtes et leurs cardes. L'Italie est le pays possédant la plus importante collection de germoplasmes autochtones d'artichaut. Dans le centre de l'Italie, le type Romanesco est étendu. Ces dernières années, le développement des techniques in vitro a permis la multiplication de l'artichaut Romanesco et sa rapide expansion. Le clone Romanesco C3 a ainsi remplacé de nombreuses races locales de Romanesco, contribuant de la sorte à une érosion significative des ressources génétiques locales. Concernant le germoplasme de cardon cultivé, seules quelques études sont disponibles sur son identification et sa caractérisation génétique. Le cardon sauvage, n'est pas du tout cultivé; il est davantage considéré comme une adventice dans le paysage italien. La grande variabilité existant entre les espèces de Cynara n'est pas correctement décrite et il existe plusieurs cas d'homonymes. Le secteur de l'artichaut italien a du faire face ces dernières années à une crise causée principalement par l'apparition sur le marché de produits étrangers et par les coûts élevés de mise en culture et de récolte. Afin de surmonter cette crise, de nombreuses valorisations du Cynara ont été envisagées. Ces potentielles applications pour la culture ont pu voir le jour grâce au support de l'Union européenne pour la recherche sur les co-poduits issus de l'agriculture, et ont mené à un intérêt croissant pour la biomasse entière d'artichaut. Considérant ces remarques préliminaires, une stratégie, qui permettrait de valoriser le germoplasme italien par la production concomitante de biomasse et de biocomposés, a été mise en place durant ces trois ans de doctorat. Le premier objectif de ce travail de doctorat consistait en i) la caractérisation agro-morphologique du germoplasme italien par le biais de descripteurs UPOV, ii) l'évaluation de la variabilité génétique à l'intérieur et entre les races/clones et iii) l'identification et la préservation des ressources génétiques pour le développement de futurs programmes d'amélioration des plantes. Suite à cette caractérisation, trois génotypes ont été sélectionnés et enregistrés sous les noms de Michelangelo, Donatello and Raffaello. Afin d'analyser le germoplasme italien de Cynara d'un point de vue de la biomasse, différents traits expliquant la vigueur de la plante et la production de matière sèche ont été considérés. Le rendement en biomasse aérienne s'est révélé très élevé, soulignant la possibilité d'utiliser cette culture comme matière première industrielle. Un point particulier du programme de thèse était de mettre au point les méthodes d'extraction de biocomposés et les techniques d'analyse afin d'optimiser le rendement en polyphénols à partir de la biomasse de Cynara à l'échelle laboratoire. L'ASE a été reconnue comme étant la meilleure technique. De plus, les cinétiques de production de biomasse et de biocomposés ont été évaluées et le stade physiologique optimal pour collecter le matériel végétal en champ a été identifié. La caractérisation biochimique a été réalisée grâce aux méthodes mises au point et en collectant le matériel végétal au stade physiologique optimal identifié afin de distinguer les génotypes les plus appropriés pour la production de biocomposés. Le dernier point du programme de thèse était centré sur le développement d'une technique alternative de production de biomasse et de biocomposés en conditions de croissance sous serre. Les résultats obtenus mettent en exergue la possibilité d'utiliser avec succès certains génotypes de Cynara pour la production de biomasse et de biocomposés. La perspective réelle d'utiliser certains génotypes d'artichaut pour une double valorisation alimentaire et non-alimentaire a ainsi été soulignée.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 autochthonous germplasm, which is vegetatively propagated and well adapted to the different pedoclimatic conditions of the Country. In Central Italian environments, the Romanesco type 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 micropropagated Romanesco clone C3 has replaced many landraces traditionally grown in the Latium Region and has led either to a significant erosion of local genetic resources. As regards Italian cultivated cardoon 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, 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, 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 industrial uses were considered for the species. 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. 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. 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, 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 bio-compound 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. The last focal point of PhD program was the development of an alternative technique for biomass and biocompound production in greenhouse grown conditions. 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 underlined

Caractérisation et sélection de germoplasmes d'artichaut et de cardon pour l'alimentation et la production de biomasse et de biocomposés

L'artichaut et le cardon, appartenant à la famille des Asteraceae (Compositae), sont des plantes pérennes herbacées natives du bassin méditerranéen, et qui sont traditionnellement cultivées comme plantes maraîchères, respectivement pour leurs têtes et leurs cardes. L'Italie est le pays possédant la plus importante collection de germoplasmes autochtones d'artichaut. Dans le centre de l'Italie, le type Romanesco est étendu. Ces dernières années, le développement des techniques in vitro a permis la multiplication de l'artichaut Romanesco et sa rapide expansion. Le clone Romanesco C3 a ainsi remplacé de nombreuses races locales de Romanesco, contribuant de la sorte à une érosion significative des ressources génétiques locales. Concernant le germoplasme de cardon cultivé, seules quelques études sont disponibles sur son identification et sa caractérisation génétique. Le cardon sauvage, n'est pas du tout cultivé; il est davantage considéré comme une adventice dans le paysage italien. La grande variabilité existant entre les espèces de Cynara n'est pas correctement décrite et il existe plusieurs cas d'homonymes. Le secteur de l'artichaut italien a du faire face ces dernières années à une crise causée principalement par l'apparition sur le marché de produits étrangers et par les coûts élevés de mise en culture et de récolte. Afin de surmonter cette crise, de nombreuses valorisations du Cynara ont été envisagées. Ces potentielles applications pour la culture ont pu voir le jour grâce au support de l'Union européenne pour la recherche sur les co-poduits issus de l'agriculture, et ont mené à un intérêt croissant pour la biomasse entière d'artichaut. Considérant ces remarques préliminaires, une stratégie, qui permettrait de valoriser le germoplasme italien par la production concomitante de biomasse et de biocomposés, a été mise en place durant ces trois ans de doctorat. Le premier objectif de ce travail de doctorat consistait en i) la caractérisation agro-morphologique du germoplasme italien par le biais de descripteurs UPOV, ii) l'évaluation de la variabilité génétique à l'intérieur et entre les races/clones et iii) l'identification et la préservation des ressources génétiques pour le développement de futurs programmes d'amélioration des plantes. Suite à cette caractérisation, trois génotypes ont été sélectionnés et enregistrés sous les noms de Michelangelo, Donatello and Raffaello. Afin d'analyser le germoplasme italien de Cynara d'un point de vue de la biomasse, différents traits expliquant la vigueur de la plante et la production de matière sèche ont été considérés. Le rendement en biomasse aérienne s'est révélé très élevé, soulignant la possibilité d'utiliser cette culture comme matière première industrielle. Un point particulier du programme de thèse était de mettre au point les méthodes d'extraction de biocomposés et les techniques d'analyse afin d'optimiser le rendement en polyphénols à partir de la biomasse de Cynara à l'échelle laboratoire. L'ASE a été reconnue comme étant la meilleure technique. De plus, les cinétiques de production de biomasse et de biocomposés ont été évaluées et le stade physiologique optimal pour collecter le matériel végétal en champ a été identifié. La caractérisation biochimique a été réalisée grâce aux méthodes mises au point et en collectant le matériel végétal au stade physiologique optimal identifié afin de distinguer les génotypes les plus appropriés pour la production de biocomposés. Le dernier point du programme de thèse était centré sur le développement d'une technique alternative de production de biomasse et de biocomposés en conditions de croissance sous serre. Les résultats obtenus mettent en exergue la possibilité d'utiliser avec succès certains génotypes de Cynara pour la production de biomasse et de biocomposés. La perspective réelle d'utiliser certains génotypes d'artichaut pour une double valorisation alimentaire et non-alimentaire a ainsi été soulignée.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 autochthonous germplasm, which is vegetatively propagated and well adapted to the different pedoclimatic conditions of the Country. In Central Italian environments, the Romanesco type 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 micropropagated Romanesco clone C3 has replaced many landraces traditionally grown in the Latium Region and has led either to a significant erosion of local genetic resources. As regards Italian cultivated cardoon 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, 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, 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 industrial uses were considered for the species. 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. 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. 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, 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 bio-compound 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. The last focal point of PhD program was the development of an alternative technique for biomass and biocompound production in greenhouse grown conditions. 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 underlined.TOULOUSE-ENSIACET (315552325) / SudocSudocFranceF

Selection of Italian cardoon genotypes as industrial crop for biomass and polyphenol production

International audienceEight cardoon genotypes, of which seven Italian cultivated and one wild cardoon, belonging to the ENEA-Tuscia University joint collection, were assessed over two growing seasons with the aim of evaluating biomass production for pharmaceutical uses. Nine morphological descriptors (plant height and diameter, number of lateral shoots, main flower stem diameter, first fully developed leaf length and width, number of leaf lobes, plant fresh and dry weight) were selected to describe plant vigor and dry matter accumulation. Biochemical characterization of aboveground biomass was also undertaken, using accelerated solvent extraction (ASE) and HPLC analyses. Significant differences among genotypes were found for many of the agro-morphological traits evaluated. In particular, results identified aerial biomass yield, which ranged between 1095 and 2495 g plant−1, as a useful trait in discriminating among genotypes. Significant differences among genotypes were also found for biomass polyphenol content. The most representative compounds detected were caffeoylquinic acids (3-O-caffeoylquinic acid and 1,5-O-dicaffeoylquinic acid) and flavonoid derivatives (cynaroside). The 3-O-caffeoylquinic acid content in biomass extracts ranged from 0.01 to 2.65 g kg−1 DM, while the 1,5-O-dicaffeoylquinic acid varied from 3.08 to 4.07 g kg−1 DM. With regard to cynaroside, the cultivated cardoon “AFN” showed the highest value (4.20 g kg−1 DM). Taking into account that the analyzed germplasm has never been selected for biomass or polyphenol compound production, our data highlight the potential use of cardoon genotypes for biomass and pharmaceutical purposes

Biomass and Biocompound Production for Valorizing Italian Spring Globe Artichoke Genotypes

International audienceGlobe artichoke, widespread in the Mediterranean area, is traditionally grown for its immature inflorescences (heads). In the last years, alternative uses of the crop related to biomass for energy, seeds for oil and roots for inulin have been considered. In the present work, the potential of nine Italian spring globe artichoke genotypes to develop biomass for biocompound production has been analyzed for two years. Apart from 47 UPOV descriptors previously applied to characterize agro-morphologically the nine genotypes, other specific traits referred to plant vigor (i.e., plant diameter, leaf number, biomass index, plant fresh and dry weight) have been considered to describe the same genotypes also under biomass production profile. After the primary head harvest, biomass (floral stem and leaves) has been collected and biochemically characterized using HPLC analysis. The descriptors used allowed a clear identification of the genotypes analyzed with significant differences among them for many of the morphological and biochemical traits considered. Biomass of globe artichoke genotypes was very high and capable of producing high values of biocompound contents; some genotypes such as 'Ascolano' provided a total phenolic compound yield of interest to pharmaceutical extraction industry. Considering that the genotypes here analyzed have never been selected under the biomass and/or the biochemical profile, the results so far obtained indicate that globe artichoke crop could be successfully used even for this non-food productive purpose