Exploitation of morphometric, biochemical and genetic traits of traditional vegetable for providing novel foods [Valutazione dei tratti morfometrici, biochimici e genetici di ortive tradizionali per la produzione di novel foods]

The current doctoral thesis aimed to comprehensively evaluate novel foods, such as sprouts, microgreens, and baby-leaves, from morphometric, biochemical, and genetic points of view, as well as assess them in vitro antioxidant effects to address contemporary consumer demands for ready-to eat products rich in bioactive compounds with health-promoting benefits. The main objective was to optimize greenhouse cultivation systems by selecting genotypes resilient to abiotic stresses such as drought and reduced light radiation, also through the application of biostimulants. The research focused extensively on the Brassicaceae family, particularly on Brassica oleracea L. var. italica Plenck, renowned for its high levels of antioxidant compounds such as polyphenols, vitamins, and glucosinolates, which play a significant role in preventing chronic-degenerative diseases. The analyses showed that Sicilian sprouting Black broccoli can mitigate oxidative stress and reduce the production of reactive oxygen species (ROS). In addition, the research activities also investigated the landraces of Allium varieties, such as the Egyptian walking onion (Allium×proliferum) localy denominated ‘cipudda agghiarola’. This study highlighted the nutritional potential of this landrace compared to commercial varieties of onion (Allium cepa L.), showing significant differences in antioxidant properties, flavonoids, phenolics, and sugar profile and content. The analysis of the volatile compound profiles of the green onion products from both Allium spp. revealed significant characteristics that enhance the qualification of the Egyptian walking onion, supporting its reintroduction into the agricultural systems of our region and the expansion of the proposed range of novel foods. In addition, our attention focused our attention on the characterization of some Crop Wild Relatives (CWRs) of B. oleracea L. crops (broccoli, cabbage, cauliflower, kale, kohlrabi) providing preliminary results for their genomic assembly, providing valuable insights useful for future genetic analyses of agronomic and nutraceutical traits of interest. Concurrently, we registered the morphometric and biochemical traits of forty-two accessions of Brassica oleracea L. and CWRs with the aim to identify key features that could improve resilience to biotic and abiotic stresses, thereby enhancing their potential for inclusion in breeding programs. In conclusion, this research has contributed to the conservation and valorization of agricultural biodiversity, emphasizing the importance of local landraces and CWRs as critical resources for sustainable agriculture. The selected genotypes, characterized by biochemical profiles rich in bioactive compounds, offer significant potential for the development of novel foods, aligning with the growing consumer preference for functional foods with high nutraceutical value. The pre-breeding activities identified genotypes capable of growing under suboptimal climatic conditions during the early stages of growth, while maintaining high levels of bioactive compounds. These genotypes represent an important resource for implementing the quality of the novel foods, satisfying the ongoing demand of the consumers of functional foods. The Sicilian landraces of sprouting Black broccoli (Brassica oleracea L. var. italica Plenck) and of the Egyptian walking onion (Allium×proliferum) stood out for their high adaptability and rich antioxidant profiles. Additionally, the research provided valuable insights into the potential of these crops as novel foods. These results lay the foundation for developing innovative, high-quality foods that address global challenges related to climate change and food security. The experimental activities reported were carried out at the University of Catania in the frame of the following projects: i) EU H2020 BRESOV “Breeding for Resilient, Efficient and Sustainable Organic Vegetable production”; ii) ARS01_00640-POFACS “Conservabilità, qualità e sicurezza dei prodotti ortofrutticoli ad alto contenuto di servizio”; iii) EU Horizon Europe COUSIN “Crop Wild Relatives Utilization and Conservation for Sustainable Agriculture” (HORIZON-CL6-2023BIODIV-01). The seed samples were provided by the vegetable genebank of the Department of Agriculture, Food and Environment (Di3A), section of Vegetable and Flower Crops, and the experimental trials were carried out at the experimental field and laboratories of the Di3A. The research activities of the three years of the PhD course foreseen by the regional grant “Programma Operativo del Fondo sociale europeo Regione Siciliana 2014-2020” supported the conservation of the regional biodiversity exploiting Sicilian landraces and CWRs which represent strategic resources for the sustainable agriculture. The multidisciplinary approach adopted amplify the knowledge of the agronomic, biochemical and genetic traits of the accessions studied, and it provided new scientific basic input for supporting the global challenges to mitigate the climate change and to support the food security.

La presente tesi di dottorato di ricerca si propone di valutare i tratti morfometrici, biochimici e genetici di novel foods, come sprouts, microgreens e baby-leaves, nonché di valutare i loro effetti antiossidanti in vitro, rispondendo così alle esigenze dei consumatori per prodotti pronti al consumo e ricchi di composti bioattivi benefici per la salute umana. L’obiettivo principale delle attività svolte è stato quello di ottimizzare i sistemi di coltivazione delle piante da orto, selezionando genotipi resilienti agli stress abiotici, come siccità e ridotta radiazione luminosa, anche attraverso l’utilizzo di biostimolanti. Particolare attenzione è stata rivolta alla famiglia botanica delle Brassicaceae, con un focus specifico su Brassica oleracea L., nota per il suo profilo nutrizionale, ricco di antiossidanti come glucosinolati, polifenoli, antociani e vitamine, che svolgono un importante ruolo nella prevenzione delle malattie cronico-degenerative umane. A tal riguardo, sono state condotte prove in vitro monitorando anche la proliferazione cellulare. Le analisi effettuate hanno permesso di valutare gli effetti bioattivi di differenti cultivar siciliane di cavolo broccolo (Brassica oleracea L. var. italica Plenck) durante le fasi inziali di crescita (sprouts, microgreens e baby-leaves) e la loro capacità di mitigare i danni ossidativi e la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS). Le attività di ricerca hanno inoltre riguardato la caratterizzazione morfometrica e biochimica di una varietà locale di cipolla egiziana (Allium×proliferum) denominata ‘cipudda agghiarola’. L'obiettivo è stato quello di analizzare il profilo biochimico al fine di valorizzare tale coltura orticola minore che contraddistingue la ricchezza della biodiversità orticola siciliana. I risultati acquisiti nel corso delle attività svolte durante il triennio del dottorato di ricerca in “Biotecnologie” hanno messo in evidenza i tratti distintivi della ‘cipudda agghiarola’ rispetto a varietà commerciali di cipolla (Allium cepa L.), mostrando differenze significative nei parametri morfometrici, nella capacità antiossidante e nel contenuto di flavonoidi, fenoli e zuccheri. L’analisi del profilo dei composti volatili dei cipollotti delle due varietà botaniche di cipolla ha permesso di evidenziare differenze significative che permettono di qualificare meglio la cipolla egiziana favorendone sia la reintroduzione nei sistemi agricoli della nostra Regione, sia l'ampliamento della gamma dei novel foods proposti. Inoltre, l’attenzione è stata posta sulla caratterizzazione delle specie spontanee parentali (Crop Wild Relatives - CWRs) appartenenti alla famiglia delle Brassicaceae, che svolgono un ruolo importante nel miglioramento genetico delle colture afferenti a Brassica oleracea L. (cavolo broccolo, cavolfiore, cavolo da foglia, cavolo cappuccio, etc.). Per alcune CWRs di B. oleracea è stato avviato l’assemblaggio genomico, fornendo risultati preliminari utili per future analisi genetiche dei tratti di interesse agronomico e nutraceutico. Parallelamente, sono stati determinati i tratti morfometrici e biochimici di 42 accessioni di Brassica oleracea L. e di CWRs, con lo scopo di individuare caratteristiche utili per migliorare la resilienza a stress biotici e abiotici, favorendo così il loro impiego nei programmi di breeding. I risultati di questa ricerca costituiscono uno screening iniziale per selezionare genotipi in grado di adattarsi a condizioni ambientali avverse anche nelle prime fasi di sviluppo della pianta. I genotipi selezionati, caratterizzati da profili biochimici ricchi di composti bioattivi, offrono un importante potenziale per lo sviluppo di novel foods, soddisfacendo al contempo l’attuale domanda dei consumatori di alimenti ad elevato valore nutraceutico (cibi funzionali). Le cultivar locali siciliane di cavolo broccolo, quale il Broccolo nero (Brassica oleracea L. var. italica Plenck), e di cipolla, quale l’Egyptian walking onion (Allium×proliferum) sono apparse risorse genetiche promettenti sia per il loro elevato contenuto di composti bioattivi con azione antiossidante, che per la loro adattabilità a diverse condizioni di coltivazione subottimali. Le attività finora elencate sono state condotte presso l’Università degli Studi di Catania nell’ambito dei seguenti progetti: i) EU H2020 BRESOV “Breeding for Resilient, Efficient and Sustainable Organic Vegetable production”; ii) ARS01_00640-POFACS “Conservabilità, qualità e sicurezza dei prodotti ortofrutticoli ad alto contenuto di servizio”; iii) EU Horizon Europe COUSIN "Crop Wild Relatives Utilization and Conservation for Sustainable Agriculture” (HORIZON-CL62023-BIODIV-01). I semi delle accessioni dei genotipi locali testati nelle varie linee di ricerca sono stati forniti dalla banca del germoplasma del Dipartimento di Agricoltura, Alimentazione e Ambiente (Di3A), sezione di Orticoltura e Floricoltura, e le pratiche agronomiche sono state effettuate presso i campi collezione e le serre sperimentali del Di3A. La ricerca svolta nei tre anni di dottorato previsti con borsa regionale “Programma Operativo del Fondo sociale europeo Regione Siciliana 2014-2020” ha contribuito alla conservazione della biodiversità, valorizzando varietà locali e parenti selvatici di specie ortive come risorse strategiche per l’agricoltura sostenibile. Questo approccio multidisciplinare non solo ha permesso di ampliare le conoscenze in merito ai tratti agronomici, biochimici e genetici delle colture studiate, ma ha anche fornito nuove basi scientifiche per introdurre alimenti innovativi, sostenibili e in grado di rispondere alle sfide globali legate al cambiamento climatico e alla sicurezza alimentare.