Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/96392
Title: Caracterização da Biodiversidade e Valorização dos Recursos Genéticos do Cardo (Cynara cardunculus L.)
Authors: Silva, Paulo Barracosa Correia da
Orientador: Pires, Euclides
Barros, Marlene Maria Tourais de
Keywords: Cynara cardunculus; Proteases aspárticas; Biodiversidade; Queijo Serra da Estrela DOP; Cynara cardunculus L.; Biodiversity; Aspartic proteases; Serra da Estrela Cheese PDO
Issue Date: 30-Jun-2021
Abstract: O cardo (Cynara cardunculus L.), pela biodiversidade morfológica, bioquímica e molecular, revela-se uma cultura multifuncional, adaptada às alterações climáticas, com um potencial de valorização das diferentes formas de biomassa em aplicações biotecnológicas. É uma fonte de compostos bioativos onde se destacam a inulina, os ácidos cafeoilquínicos, os flavonoides, as antocianinas, as lactonas sesquiterpénicas, os ácidos gordos e as proteases aspásticas. As flores de cardo, pela elevada concentração em cardosinas, são usadas como coagulante vegetal utilizado no fabrico de alguns queijos DOP da região mediterrânica. Foram analisadas as características morfológicas de cultivares de cardo, estabelecidos na região da Serra da Estrela, ao longo de três anos usando 34 descritores morfológicos com diferenças estatisticamente significativas entre cultivares para vinte e quatro características morfológicas que indicam uma ampla diversidade genética. As cultivares A26, D32 e D33, apresentaram uma arquitetura vegetal simultaneamente bem adaptada para a produção de flores e biomassa vegetal. Dez marcadores moleculares de microssatélites mostraram-se polimórficos revelando a capacidade em identificar a variabilidade genética nos genótipos de cardo selecionados. A dimensão dos alelos nos diversos loci variou entre 98 e 392 pb e o número efetivo de alelos por locus entre e 3 e 13. Os resultados obtidos em relação à diversidade genética dos nossos recursos genéticos, ainda que preliminares, corroboram a diversidade taxonómica entre o cardo selvagem e os cardos cultivados. A produção de biomassa do cardo pode ser variável dependendo dos genótipos. Foram obtidas por hectare, em termos médios, produções de 14600 kg ha-1 de biomassa aérea, das quais 32% correspondentes a inflorescências, 40% a caules e 28% a folhas. Podem ainda ser colhidas 475 kg de flores e 600 kg de aquénios. Nos ensaios de fertilização a aplicação do biochar combinada com fertilizantes minerais reduziu as emissões de N2O em 36% e o potencial de aquecimento global (GWP) em 26% em relação à mineral. A produção de biomassa foi aumentada em 50% pela aplicação de biochar combinada com fertilizantes minerais. Os perfis cardosinas de cada genótipo foram baseados em quatro grupos principais A0, A1, A e B. Durante três anos foi confirmada a estabilidade de 12 características bioquímicas dos extratos de flores e 26 descritores morfológicos de plantas. As relações entre o perfil bioquímico das flores e a atividade proteolítica, as propriedades de coagulação e textura final do queijo foram avaliadas em seis genótipos selecionados de cardo (1M-6M). Os genótipos 1M e 2M foram positivamente influenciados pela cardosina B e negativamente pela ação proteolítica sobre a β-caseína, na floculação inicial e consistência do gel. O genótipo 3M revelou uma lenta agregação de micelar e baixa firmeza de gel ao longo da coagulação do leite, o que se refletiu na textura suave do queijo. Os genótipos 4M, 5M e 6M apresentaram a maior concentração total de cardosinas, nomeadamente cardosina A, ação proteolítica sobre Ƙ-caseína, consistência de gel e o menor tempo de coagulação que se refletiu numa textura mais firme da matriz do queijo. A caracterização específica da diversidade bioquímica natural das flores de cardo e a sua influência na textura do queijo pode permitir aos produtores preverem as propriedades de queijo. Os aquénios do cardo são uma importante fonte de óleo com um rendimento médio de 25%. Na composição química os aquénios viáveis, comparativamente com os inviáveis, apresentaram níveis mais elevados de α-tocoferol (6,7 mg 100 g-1), lípidos (23,11 g 100 g-1, ácidos oleicos e linoleicos) e açúcares livres (5,4 g 100 g-1). O extrato hidroetanólico de sementes viáveis apresentaram uma maior concentração de compostos fenólicos, nomeadamente os ácidos 5-O-cafeoilquínico (8,0 mg g-1) e 3,5-O-dicafeoilquínico (43,9 mg g-1) e maior atividade antioxidante in vitro. Os perfis fenólicos obtidos pelas flores de cardo mostraram diferenças significativas entre diferentes genótipos de cardo, com os derivados de apigenina e ácido cafeoilquínico a serem os compostos com maior concentração. Além da sua forte atividade antioxidante, as inflorescências de cardo apresentaram uma atividade antibacteriana satisfatória, nomeadamente contra estirpes Gram-positivas, com um MIC particularmente baixo para Listeria monocytogenes. O caule de cardo é um material em que a celulose é a principal componente (46,3%), seguida da lenhina Klason (25,3%). Nos testes realizados para liquefação as melhores condições foram uma temperatura de 200ºC, duração de 60 min e uma dimensão de partícula de 60-80 mesh. Pelas suas características é um material promissor na produção de painéis de aglomerados de baixa densidade. As características e funções da biomassa de cardo podem permitir o desenvolvimento de produtos de base natural inovadores para aplicação biotecnológica na alimentação e nutrição, farmacologia e cosméticos, proteção de plantas e biocidas, óleos e energia, indústrias de aglomerados, saúde e promoção de bem-estar seguindo as tendências atuais de uma economia circular. Os resultados obtidos são, ainda, promissores para o desenvolvimento de um programa de melhoramento de plantas baseado em características bioquímicas e morfológicas, de forma a obter a arquitetura vegetal mais adaptada para fins combinados relacionados com a produção de flores contendo composições específicas de cardosinas, produção de diversas formas de biomassa e facilidade de colheita.
Cardoon (Cynara cardunculus L.) is a multi-purpose and versatile Mediterranean crop, adapted to climate change with a wide spectrum of potential applications due its added value as a rich source of fibres, oils and bioactive compounds. The potential use of cardoon for biotechnological applications is due to its high content of bioactive compounds such as oligofructose inulin, caffeoylquinic acids, flavonoids, anthocyanins, sesquiterpenes lactones, triterpenes, fatty acids and aspartic proteases. Cardoon flower extract is a vegetable coagulant used exclusively in the manufacture of some Mediterranean PDO cheeses due to its extremely high concentration in cardosins. Selected cardoon cultivars established in the “Serra da Estrela” region were analysed to evaluate morphological characteristics. The biodiversity of twelve cardoon genotypes installed in an experimental field were evaluated over three growing seasons using thirty-four morphological descriptors. Statistically significant differences were found between cultivars for twenty-four morphological characteristics which indicate a wide genetic diversity. The relationship among the genotypes and characteristics was analysed using a principal component analysis. The first component was dominated positively by plant height diameter of stalk, inflorescence characteristics and flower production, while the second component was positively dominated by leaf characteristics. Genotypes A26, D32 and D33, presented a plant architecture simultaneously well adapted for flower production, ease of harvesting and plant biomass. 10 microsatellites molecular markers were polymorphic in cardoon, revealing the ability to identify genetic variability in selected thistle genotypes. The results obtained corroborate the morphological diversity between the wild and the cultivated cardoons. The application of biochar combined with mineral fertilizer reduced N2O emissions by 36% and global warming potential (GWP) by 26% relative to mineral. However, the cumulative CO2 and CH4 emissions as well as yield-scaled GWP were not significantly different among amended soil treatments. Furthermore, the biomass production was increased by 50% by the application of biochar combined with mineral fertilizer relative to mineral. Six distinct cardoon genotypes (1M-6M) selected based on total and specific cardosin concentrations were used to investigate the relationship between a given genotype, proteolytic activity on caseins, coagulation properties and final texture of cheese. During three growing seasons, the stability of 12 biochemical characteristics of flower extracts and 26 plant morphological descriptors was confirmed. The cardosin profiles of each genotype, based on four main groups A0, A1, A and B, were stable during the annual flower harvesting period and over all three years using ion-exchange chromatography and native-PAGE electrophoresis. Genotypes 1M and 2M were positively influenced by cardosin B and negatively by the proteolytic action over β-casein, in starting flocculation and gel consistency. Genotype 3M showed a slow micellar aggregation and low gel firmness along milk coagulation, which reflects in the smooth texture of cheese. Genotypes 4M, 5M and 6M, compared with others, presented the highest total concentration of cardosins, namely cardosin A, proteolytic action over Ƙ-casein, gel consistency, and the lowest time of coagulation which reflects in a firmer texture of the cheese matrix. The specific characterization of natural biochemical diversity of cardoon flowers and their influence on cheese texture seems to be of great interest since this knowledge will enable producers to predicted cheese properties within a wider range of texture to fulfil consumer demand. Cardoon achenes were characterized for their chemical composition and bioactivities according to the viability. Viable achenes contained higher levels of α-tocopherol (6.7 mg 100 g-1), lipids (23.11 g 100 g -1, manly oleic and linoleic acids), and free sugars (5.4 g 100 g-1) than the unviable ones. The hydroethanolic extract of viable seeds presented a higher concentration of phenolic compounds, namely 5-O-caffeoylquinic (8.0 mg g-1) and 3,5-O-dicaffeoylquinic (43.9 mg g-1) acids, and greater in vitro antioxidant activity. Phenolic profiles obtained by cardoon flowers showed significant differences among different cardoon genotypes, but apigenin and caffeoylquinic acid derivatives were generally the major molecules in all samples. Besides their strong antioxidant activity, the cardoon inflorescences showed satisfactory antibacterial activity, namely against Gram-positive strains, with particularly low MIC in Listeria monocytogenes. Cardoon stem is a material in which cellulose is the major component (46.3 %), followed by Klason lignin (25.3%). Optimal conditions to attain the best liquefaction yield were 200ºC, 60 min and a 60-80 particle size. The characteristics and functions of cardoon biomass permits the development of innovative bio-based-products for biotechnological application in food and nutrition, pharmaceutics and cosmetics, plant protection and biocides, oils and energy, lignocellulose materials, and healthcare industries following the actual trends of a circular economy. The results obtained are promising for the development of a plant breeding program based on biochemical and morphological characteristics in order to obtain the most adapted plant architecture for combined purposes related to specific cardosins composition, flower and plant biomass production, and ease of harvesting.
Description: Tese no âmbito do Doutoramento em Biociências, especialização em Biotecnologia orientada pelo Senhor Professor Euclides Vieira Pires e pela Senhora Professora Doutora Marlene Maria Tourais de Barros apresentada ao Departamento de Ciências da Vida da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/96392
Rights: openAccess
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UC - Teses de Doutoramento

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