Leaf yield and polyphenols of artichoke (Cynara cardunculus L.) influenced by harvest frequency and herbicide stress

Abstract

Artichoke is a traditional vegetable plant grown and used in subtropical and Mediterranean regions. Artichoke leaves and flower buds contain high concentration of polyphenols, which are attributed to nutritional and pharmacological effects. These compounds include caffeoylquinic acids (chlorogenic acid, caffeic acid and cynarin), flavonoids (scolymoside, cynaroside and luteolin) and sesquiterpene lactones.Although, artichoke has enormous importance in the Mediterranean region, certain climatic limitations discourage its cultivation in Central Europe. Yet, in Germany it is cultivated as a commercial annual leaf crop. Cultivation in Germany is focused on the production of rosette leaves which contain high contents of polyphenols that are used for dyspeptic complaints.Contrary to the vegetable production of artichoke, only a few research work on its importance as leaf crop has been done. This research area needs a focus on the influence of the environmental conditions and agronomic factors on yield and polyphenols contents of artichoke leaves under field conditions in Germany.Keeping these points into consideration, research was conducted at University Giessen to study the effect of plant density (4, 8, 12 and 16 plants m-2) and harvest frequency (LHF- low harvest frequency with 3 harvests, MHF- medium harvest frequency with 5 harvests and HHF- high harvest frequency with 6 harvests per growing season) on plant growth, yield and polyphenols of artichoke leaves. Simultaneously, a second experiment to study the impact of different post-emergence herbicides (Haloxyfop, Phenmedipham, Pyridate, Quizalofop-P, Prosulfocarb, Carfentrazone, Rimsulfuron, Aclonifen and Clomazone) on leaf yield and the concentration of polyphenols (CQA and flavonoids) was conducted. The experiments were conducted at experimental research stations Gross-Gerau and Giessen, respectively. Cultivar Gobbo di Nizza was sown manually in 75 cm apart rows with 25 cm intra-row distance at 2 cm soil depth. The field trials were designed in RCBD in factorial arrangement (plant density x harvest frequency) and one factor RCBD (herbicides) with 4 replications. Obtained results were analyzed statistically by the PIAF (Programm Information Auswertung Feldversuche - Statistical program for evaluation of field trials).On the basis of the results obtained in three experimental years, it was found that LHF (3 harvests per growth season) in combination with higher plant densities (12-16 plants m-2) led to best growth and yield parameters (plant height, leaves per unit area, leaf yield) and highest concentration of polyphenols. High harvest frequency (6 harvests per growth seasons) led to lower leaf yield and lower concentration of caffeoylquinic acids and flavonoids in the leaves. Additionally differential response of the interaction of plant density x harvest frequency to some yield parameters was also observed. These differences in growth and yield parameters may be attributed to the specific growth conditions (air temperature, light interception, day length) during leaf formation of artichoke. Plant densities lower than 8 plants m-2 failed to compensate the loss in leaf yield by producing more leaves as that of higher plant densities.Post-emergence application of Pyridate, Aclonifen and Clomazone resulted in reduction of leaf yield in both growth phases of artichoke. Chlorophyll fluorescence data determined that Pyridate reduced chlorophyll fluorescence and electron transport rate in artichoke leaves significantly, showing a stress to the plants. Phenmedipham, Aclonifen and Clomazone also showed the same negative effects after their application to artichoke leaves. These negative effects of the post emergence herbicides used in the study appeared at 1 DAA (days after application) to maximum of 1 WAA (week after application). The physiological symptoms of stress measured in the form of chlorophyll fluorescence and ETR were not visible at 4 WAA or later. Only Pyridate and Aclonifen showed some adverse effects on the concentration of CQA (up to 1 WAA) in artichoke leaves. CQA and flavonoids determined at harvest of artichoke leaves did not show any adverse effects of the post emergence herbicides used in the research project. Recovery of artichoke against he adverse effects of herbicides may be attributed to the regeneration and formation of new leaves. Die Artischocke ist eine traditionelle Gemüsepflanze, die vor allem in den subtropischen und mediterranen Regionen angebaut und genutzt wird. In den Blütenknospen und Blättern der Artischocke sind relativ hohe Gehalte an sekundären Pflanzenstoffen enthalten, denen positive ernährungsphysiologische und pharmakologische Effekte zugesprochen werden. Zu diesen Verbindungen zählen Caffeoylchinasäuren (Chlorogensäure, Cynarin und Kaffeesäure), Flavonoide (Scolymosid, Cynarosid und Luteolin) und Sesquiterpenlacone ().Während die Artischocke in den mediterranen Regionen eine vergleichsweise große Bedeutung besitzt, ist ihr Anbau in Mitteleuropa aus klimatischen Gründen nur begrenzt möglich. Trotzdem konnte auch in Deutschland ein kommerzieller Anbau der Artischocke als einjährige Blattpflanze etabliert werden. Das Interesse richtet sich hierbei vor allem auf die Gewinnung von Rosettenblättern zur Herstellung von Trockenextrakten mit hohem Anteil an Caffeoylchinasäuren (CCS), denen eine Wirksamkeit bei der Behandlung dyspeptischer Beschwerden zugesprochen wird.Im Gegensatz zur Forschung mit Gemüse-Artischocken wurden bislang nur wenige Untersuchungen zur Optimierung der Blattgewinnung der Artischocke durchgeführt. Von Interesse ist hierbei vor allem die Klärung des Einflusses der Wachstumsbedingungen und agronomischer Faktoren auf den Blattertrag und die Konzentration an Caffeoylchinasäuren in den Blättern der Artischocke, die unter Feldbedingungen in Deutschland angebaut wird.Aus diesem Grund wurden in den Jahren 2006 bis 2008 an der Universität Gießen Feldversuche durchgeführt, die den Einfluss unterschiedlicher Pflanzendichten (4, 8, 12 und 16 Pflanzen m-2) und der Schnittfrequenz der Blätter (niedrige Schnittfrequenz mit 3 Ernten, mittlere Schnittfrequenz mit 5 Ernten und hohe Schnittfrequenz mit 6 Ernten pro Jahr) auf das Pflanzenwachstum, den Blattertrag und die Konzentration an Caffeoylchinasäuren untersuchen sollten. Daneben wurde im gleichen Zeitraum ein Herbizidversuch durchgeführt, in dem der Einfluss von verschiedenen Herbiziden (Wirkstoffe: Haloxyfop, Phenmedipham, Pyridat, Quizalofop-P, Prosulfocarb, Carfentrazone, Rimsulfuron, Aclonifen und Clomazon) auf den Blattertrag und die Konzentration an Caffeoylchinasäuren (CCS) analysiert wurde. Die Experimente wurden in den Versuchsstationen Groß-Gerau (Pflanzendichte-Erntefrequenz-Versuche) bzw. Gießen (Herbizidversuche) mit der Sorte Gobbo di Nizza (2 cm manuelle Ablagetiefe, 75 cm Reihenweite, 25 cm Pflanzabstand) in Parzellen (3,0 x 7,0 m2) angelegt. Die Feldversuche waren als zweifaktorielle Blockanlagen (Pflanzendichte x Schnittfrequenz) bzw. einfaktorielle Blockanlagen (Herbizide) mit 4 Wiederholungen konzipiert. Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgte mit dem Programm PIAF (Programm Information, Auswertung, Feldversuche).Es wurde festgestellt, dass im Mittel der drei Versuchsjahre mit der niedrigsten Schnittfrequenz (3 Ernten pro Jahr) in Kombination mit höheren Pflanzendichten (12-16 Pflanzen m-2) die günstigsten Ertragsparameter (Blattzahl pro m2, Blattertrag, Pflanzenhöhe) und die höchsten Gehalte CCS-Verbindungen in der Artischocke erzielt wurden. Eine hohe Schnittfrequenz von 6 Ernten pro Jahr führte dagegen zu geringeren Blatterträgen und niedrigeren CCS- und Flavonoidgehalten in den Blättern. Zum Teil wurde eine Wechselwirkung Pflanzendichte x Schnittfrequenz bezüglich der gemessenen Ertragsparameter und der CCS-Gehalte in den Blättern beobachtet. So waren die Effekte der unterschiedlichen Pflanzendichten zum Teil nur bei niedriger Ernte- bzw. Schnittfrequenz zu beobachten. Die Ursachen für den Effekt der Ernte- bzw. Schnittfrequenz werden auf die unterschiedliche Entwicklungsdauer der Blätter in Kombination mit den spezifischen Wachstumsbedingungen (Lufttemperatur, Tageslänge, Lichtangebot) während der Blattbildungsphase zurückgeführt. Niedrige Pflanzendichten von weniger als 8 Pflanzen m-2 können von der Artischocke durch eine höhere Blattzahl pro Pflanze offenbar nicht mehr kompensiert werden, um den gleichen Blattertrag pro Fläche zu erhalten wie mit höheren Pflanzendichten. In den Herbizidversuchen (je zwei Aufwüchse bzw. Blatternten pro Jahr) wurden mit den Wirkstoffen Pyridate, Aclonifen und Clomazon im Ergebnis einer Nachauflaufbehandlung zum Teil signifikante Wachstumsdepressionen und Mindererträge in den Artischocken beobachtet. Mit Hilfe der durchgeführten Chlorophyllfluoreszenz-Messungen wurde unmittelbar nach der Applikation von Pyridat eine deutliche Verminderung der Elektronentransportrate und der Chlorophyllfluoreszenz in den Blättern festgestellt, die als Stressreaktion der Pflanze gewertet werden. Ähnliche Negativeffekte auf die Chlorophyllfluoreszenz wurden auch bei den Herbizidwirkstoffen Phenmedipham, Aclonifen und Clomazon beobachtet. Die Stressreaktion der Pflanze war bereits einen Tag nach der Herbizidapplikation bis maximal 1 Woche nach der Behandlung messbar. Nach etwa 4 Wochen waren die physiologischen Stress-Symptome, gemessen an der Chlorophyllfluoreszenz und Elektronentransportrate in den Blättern, nicht mehr festzustellen, was mit der Regeneration und Neubildung von Blättern der Artischockenpflanze begründet wird. Die Gehalte an Caffeoylchinasäuren in den Blättern wurden durch die Herbizidapplikation nur durch Pyridate und Aclonifen kurzzeitig (bis 1 Woche nach der Behandlung) beeinflusst. Bei sachgemäßer Anwendung von Herbiziden ist zum Zeitpunkt der Blatternte der Artischocke ist nicht mit einer durch die Herbizidapplikation induzierten Verminderung der Gehalte an Caffeoylchinasäuren in den Blättern zu rechnen.