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Chemical composition of field grown vegetables as influenced by season and moderately reduced water supply

  • In this doctoral thesis, the effects of moderately reduced water supply and seasonal variations was studied regarding the chemical and nutritionally relevant composition of the edible harvest organs of three different vegetable crops, i.e. cucumber fruit (Cucumis sativus L.), radish roots (Raphanus sativus L. var. sativus), and spinach leaves (Spinacia oleracea L.). The study was conducted to demonstrate putative plant-physiological alterations in their chemical composition that may be evoked byIn this doctoral thesis, the effects of moderately reduced water supply and seasonal variations was studied regarding the chemical and nutritionally relevant composition of the edible harvest organs of three different vegetable crops, i.e. cucumber fruit (Cucumis sativus L.), radish roots (Raphanus sativus L. var. sativus), and spinach leaves (Spinacia oleracea L.). The study was conducted to demonstrate putative plant-physiological alterations in their chemical composition that may be evoked by moderate water deficits during cultivation under open field conditions. The vegetable crops were selected according to differing harvest organs (leaves, roots and fruit), being cultivated during three consecutive years under open field conditions and two different water supply treatments within a randomized block design with multiple sets of six plots each. Depending on the vegetable, the provided water amount of the moderately reduced water supply treatment varied between 80-97% of the well-watered control treatment. Chapter 1 dealt with the effects of moderate water reduction of 3-20% on radish. Including one cultivation set per year and an additional set in 2016, i.e. a total of four separate sets, a dry matter-based increase of myo-inositol was observed, whereas the levels of selected minerals and trace elements like iron and manganese as well as those of phenolic compounds and glucosinolates decreased or remained unchanged upon moderately reduced water supply. Only insignificant effects of reduced water supply were seen on the levels of acylated anthocyanins, which represent a highly important commercial quality trait due to their importance for the roots’ or hypocotyls’ color. In contrast, the levels of fresh matter-related analytes were mainly enhanced by reduced water supply due to higher contents of dry matter. Thus, the overall quality of radish tubers seemed to be only marginally affected by moderate water limitation. Similar results were observed for spinach as presented in Chapter 2. Nevertheless, reducing the total water amount by only 4-10% during cultivation led to various significant alterations in the chemical composition of the leaves. Similar to radish, higher dry matter-based levels of myo-inositol were found in spinach grown under low water reduction. Moreover, increased contents of zinc and manganese were found, while the levels of malic acid, fumaric acid, phosphate and chloride decreased upon slight water reduction in spinach dry matter. In contrast, spinach fresh matter was expectedly characterized by significantly higher contents of polyols, ascorbic acid, potassium, nitrogen, phosphorous, zinc and manganese, as well as total flavonoids and carotenoids, including nutritionally highly relevant compounds like the provitamin A-active β-carotene and the macular pigment lutein. Noteworthy, strong seasonal variations have been observed for numerous minor phytochemicals, such as for example for a series of specific flavonoids, whose contents seemed to be dependent on the respective irradiation conditions of the cultivation set. In contrast to radish and spinach, cucumber from open field cultivation reacted differently to slightly reduced water supply, as summarized in Chapter 3. When cucumber fruits obtained from plants received 85-90% of the total water amount of the control treatment, they exhibited significantly higher levels of malic acid, calcium, and magnesium, while those of phosphate, phosphorous, nitrogen, and iron decreased based on dry matter. Fruit dry matter-content did not significantly change due to moderate water restriction, and, as a result, the concentration of most analytes tended to decrease in the cucumber fresh matter when grown under reduced water supply. The chemical analyses of single cucumber fruit compartments (exocarp, mesocarp and endocarp) from fruits grown under 60% of the full supply in a separate greenhouse experiment confirmed that malic acid, certain minerals and trace elements, as well as carotenoids like the most abundant lutein were relatively sensitive to moderate water reduction. Altogether, a moderately reduced water supply was shown to significantly alter the chemical composition of the aforementioned vegetable crops. Considering the broad range of analytes from, e.g., minerals and anions to polyols and acids to micronutrients like provitamin A, it became clear that water supply reduction as studied herein did not lead to generalizable effects such as an undesired decrease or a desired enhancement of valuable compounds. For instance, the levels of selected health-promoting constituents in the fresh matter of radish and spinach were increased, while those of the same compounds contained in cucumber did not benefit at all. Generally, the overall quality of vegetables was clearly shown to be influenced not only by water supply, but also by the interaction with other abiotic factors, especially when cultivation took place in open field. Further study in the future should target interactions of moderately reduced water supply situations with changes in other abiotic factors, such as elevated CO2 concentrations.show moreshow less
  • Zusammenfassung Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen einer mäßig reduzierten Wasserversorgung sowie dem Einfluss saisonaler Klimabedingungen auf die chemische und ernährungsphysiologisch relevante Inhaltsstoffzusammensetzung von Ernteorganen unterschiedlicher Gemüsekulturen wie Spinat-Blätter (Spinacia oleracea L.), Radieschen-Wurzeln (Raphanus sativus L. var. sativus) und Gurken-Früchte (Cucumis sativus L.). Ziel der Studie war es, pflanzenphysiologisch bedingteZusammenfassung Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen einer mäßig reduzierten Wasserversorgung sowie dem Einfluss saisonaler Klimabedingungen auf die chemische und ernährungsphysiologisch relevante Inhaltsstoffzusammensetzung von Ernteorganen unterschiedlicher Gemüsekulturen wie Spinat-Blätter (Spinacia oleracea L.), Radieschen-Wurzeln (Raphanus sativus L. var. sativus) und Gurken-Früchte (Cucumis sativus L.). Ziel der Studie war es, pflanzenphysiologisch bedingte Veränderungen in der Inhaltsstoffzusammensetzung der Ernteorgane aufzuzeigen, die durch ein leicht oder mäßig reduziertes Wasserangebot während der Kultivierung im Freiland hervorgerufen werden. Die untersuchten Gemüsekulturen wurden im Hinblick auf ihre Ernteorgane (Blatt, Wurzel und Frucht) ausgewählt und in drei aufeinanderfolgenden Jahren mit jeweils zwei unterschiedlichen Bewässerungsstufen innerhalb einer randomisierten Blockanlage im Freiland angebaut. Dabei wurden mehrere Anbausätze mit jeweils sechs Wiederholungen durchgeführt und die Ernteorgane auf ihre chemische Zusammensetzung hin analysiert. Je nach Gemüsekultur lag die Gesamtwassermenge der moderat reduzierten Variante zwischen 80-97% der der Kontrollvariante. In Kapitel 1 werden die Auswirkungen einer moderaten Wasserreduktion von 3-20% auf die Inhaltsstoffe von Radieschen dargestellt. Auf der Grundlage von insgesamt vier separaten Anbausätzen, einem Anbausatz pro Jahr sowie einem zusätzlichen Anbausatz in 2016, konnte ein signifikanter Anstieg von myo-Inositol in Radieschen beobachtet werden, wohingegen die Gehalte ausgewählter Mineralstoffe und Spurenelemente wie Eisen und Mangan, sowie von phenolischen Verbindungen und Glucosinolaten, durch ein moderat reduziertes Wasserangebot abnahmen oder unverändert blieben. Zudem wurden nur geringe Effekte einer moderaten Reduktion der Gesamtwassermenge auf die Gehalte acylierter Anthocyane festgestellt, die aufgrund ihrer Bedeutung für die Farbe der Radieschen-Wurzel, bzw. des Hypokotyls, ein wichtiges kommerzielles Qualitätsmerkmal darstellen. Im Gegensatz dazu zeigten sich die Gehalte einer Vielzahl von Analyten auf Basis der Frischmasse erhöht, was hauptsächlich auf einen höheren Trockenmassegehalt in den reduziert bewässerten Varianten zurückzuführen ist. Dementsprechend scheint die Gesamtqualität von Radieschen durch eine derart moderate Wasserlimitierung nur geringfügig beeinträchtigt zu werden. Ähnliche Ergebnisse wurden in Bezug auf Spinat beobachtet, wie in Kapitel 2 dargestellt ist. Eine Reduzierung der Gesamtwassermenge um lediglich 4-10% führte zu signifikanten Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Blätter. Vergleichbar mit den Ergebnissen zu Radieschen wurden auch in reduziert bewässertem Spinat signifikant höhere myo-Inositol-Gehalte nachgewiesen. Die Gehalte an Zink und Mangan waren ebenfalls bei geringen Wasserdefiziten erhöht, während die Gehalte an Äpfelsäure, Fumarsäure, Phosphat und Chlorid in Spinat bezogen auf die Trockenmasse abnahmen. Dagegen zeigte sich in der Frischmasse von reduziert bewässerten Spinatblättern erwartungsgemäß erhöhte Gehalte an Polyolen, Ascorbinsäure, Kalium, Stickstoff, Phosphor, Zink und Mangan sowie erhöhte Gehalte an Flavonoiden und Carotinoiden, darunter auch ernährungsphysiologisch hoch relevante Verbindungen wie Provitamin A-aktives β-Carotin und das Makulapigment Lutein. Nennenswert sind die starken saisonalen Schwankungen zahlreicher sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe wie z. B. spezifischer Flavonoide, deren Gehalte von den jeweiligen Strahlungsbedingungen der Anbauzeit abhängig zu sein scheinen. Im Gegensatz zu Radieschen und Spinat reagierten Gurken im Freilandanbau deutlich unterschiedlich auf eine leicht reduzierte Wasserversorgung, wie in Kapitel 3 beschrieben ist. Früchte von Pflanzen, die 85-90% der Gesamtwassermenge der Kontrollbehandlung erhielten, wiesen im Gegensatz zur Kontrolle signifikant höhere Gehalte an Äpfelsäure, Calcium und Magnesium auf, während die Gehalte an Phosphat, Phosphor, Stickstoff und Eisen auf Basis der Trockenmasse reduziert waren. Der Anteil der Trockenmasse in Gurkenfrüchten hat sich durch eine moderate Reduzierung der Gesamtwassermenge nicht verändert, weshalb die meisten Analyten in der Frischmasse der Früchte von reduziert bewässerten Pflanzen tendenziell abnahmen. In einem separaten Gewächshausversuch, in welchem die Gesamtwassermenge der defizitär bewässerten Gurkenpflanzen um 40% gegenüber der Kontrollvariante verringert wurde, konnte an Hand von analytischen Daten zu den einzelnen Frucht-Kompartimenten (Exokarp, Mesokarp und Endokarp) gezeigt werden, dass Äpfelsäure, ausgewählte Mineralstoffe und Spurenelemente sowie Carotinoide, wie z. B. das am häufigsten vorkommende Lutein, relativ empfindlich auf eine moderate Wasserreduktion reagierten. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass eine mäßig reduzierte Wasserversorgung die chemische Zusammensetzung der genannten Gemüsekulturen deutlich verändert. In Anbetracht des breiten Spektrums an Analyten, von u. a. Mineralstoffen und Anionen über Polyole und Säuren bis hin zu Mikronährstoffen wie Provitamin A, wurde deutlich, dass eine mäßige Reduktion in der Gesamtwassermenge nicht zu generellen Effekten wie z. B. einer unerwünschten Abnahme oder einer erwünschten Zunahme von wertgebenden Inhaltsstoffen führt. So wurden beispielsweise die Gehalte ausgewählter gesundheitsfördernder Inhaltsstoffe in der Frischmasse von Radieschen und Spinat durch eine moderate Wasserreduktion erhöht, während die Gehalte der gleichen Verbindungen in Gurken nicht zunahmen. Grundsätzlich zeigte sich, dass die Gesamtqualität von Gemüse nicht nur durch die angebotene Gesamtwassermenge, sondern auch durch dessen Interaktion mit weiteren abiotischen Faktoren beeinflusst wird, was insbesondere im Freilandanbau eine große Rolle spielt. Zukünftige Untersuchungen sollten daher auf die Wechselwirkung einer moderat reduzierten Wasserversorgung mit den Veränderungen anderer abiotischer Faktoren, wie z. B. einer erhöhten CO2-Konzentration, abzielen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christine SchleringORCiD
URN:urn:nbn:de:hebis:2083-393
ISBN:978-3-8440-8457-3
Publisher:Shaker-Verlag
Place of publication:Düren
Referee:Prof. Dr. Helmut Dietrich, Prof. Dr. Matthias Frisch, Prof. Dr. Susanne Neugart
Advisor:Prof. Dr. Helmut Dietrich, Prof. Dr. Matthias Frisch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Embargo Date:2022/09/03
Publishing Institution:Hochschule Geisenheim University
Granting Institution:Hochschule Geisenheim University
Granting Institution:Justus-Liebig-Universität Gießen
Date of final exam:2021/11/16
Release Date:2023/07/24
Tag:Climate Change; Cucumber; Drought; Radish; Spinach
Volume:2022
Edition:1. Auflage
Page Number:171
Institutes:Getränkeforschung
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie
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