Plant responses to abiotic stress are neither singular nor linear. The research represented within this dissertation was intended to evaluate selected biochemical and physiological responses in two Arugulas (Images 1-5), to agronomic interventions designed to mitigate extreme environmental abiotic factors, characteristic of arid agricultural production regions. Plant stress responses were investigated under field conditions and within controlled environments (CE), during the course of a preliminary trial and three independent studies, all four directly related. The preliminary trial evaluated harvest and postharvest nutritional content (i.e., antioxidants) of two Arugulas, Eruca sativa (L.) Cav. ssp. sativa (P. Mill.) and Diplotaxis tenuifolia (L.) DC cv. Sylvetta; grown under field conditions in the semi-arid upper Sonoran Desert. In this trial, we defined baseline harvest and postharvest antioxidant values for the Arugulas, cultivated in a semi-arid environment. The initial study, conducted within a CE utilizing a water recycling system, evaluated changes in the nutritional value of three specialty leafy cruciferous vegetables: D. tenuifolia, E. sativa and Lepidium sativum; when subjected to increasing salinity levels in the nutrient solution. It was concluded that, when specific Crucifers are irrigated with moderately high levels of salinity, neither harvest nor postharvest nutritional values are compromised. The second study, investigated the response of a suite of plant physiological parameters (e.g., yield and photosynthetic rate) in the three Crucifers to salinity, within the CE. This research provided guideline salinity values where yields did not decline, and encourages growers to consider water resources compromised by salinity and nutrient solution recycling. During the third study, the influence of environmental conditions on the nutritional content in leafy vegetables, prevalent immediately before harvest, was investigated; by subjecting plants to reduced sunlight treatments and early irrigation termination. We observed that, modulating light intensity late in the season, and early irrigation termination strategies, modify the nutritional content of leafy vegetables; and potentially the subsequent postharvest shelf life. Collectively evaluated, this research suggests that simple agronomic interventions are valuable, yet practicable, tools that can enhance the nutritional content of specialty vegetables, in arid regions: be that intervention an imposed controlled-stress, utilizing nutrient recycling systems within a CE, or basic light-reduction and irrigation termination strategies within conventional fields systems.

Diplotaxis tenuifolia (L.) DC. “flor amarilla” (Fam. Brassicaceae) produce grandes volúmenes de miel monofloral en el sudoeste de la provincia de Buenos Aires, que fluctúan según los años. El estudio de la estimación de la productividad de recompensas florales permite la planificación del aprovechamiento de la flora apícola en una región determinada. El desarrollo de este tipo de investigaciones sienta sus bases en la biología reproductiva ya que el potencial de producción de recompensas florales de una especie puede estimarse a partir de la productividad de flores por metro cuadrado, la cantidad de recompensa por flor y los factores que modifican a estas variables. En este estudio se encontró que D. tenuifolia germina en un amplio rango de condiciones ambientales, y el óptimo de germinación en los 25ºC, con fotoperíodo corto (8:16h), y semillas vernalizadas. La floración está condicionada por la longitud del día por ello es clasificada como de día corto con requerimientos cuantitativos, presentando además, compensación entre la densidad poblacional y el número de racimos por planta. Se comprobó la autoincompatibilidad de las flores, que resultaron ser homógamas ya que comienzan a abrir al alba, e inmediatamente después de la aparición de los primeros rayos solares, liberan el polen y los estigmas se hacen receptivos. La senescencia ocurre 31 horas después de la antesis. La tasa diaria de producción de flores por racimo prácticamente no varía con las condiciones ambientales. En este estudio se cuantificó la producción de granos de polen por flor, la que resultó independiente de la época del año en que florece esta especie. Se determinó una eficiencia de cosecha de polen por A. mellifera aproximadamente del 80% que aumenta con la oferta de polen por unidad de superficie. El color de las cargas polínicas frescas y su contenido de humedad permitieron predecir el de las cargas secas ya que las variables R y G aumentan con el contenido de lípidos y G con el de proteína. Se determinó que el polen supera el 20% de proteína cruda y posee aminoácidos esenciales para el ser humano y la abeja melífera. Su contenido de lípidos resultó en 10,30 ± 0,52%, con gran cantidad de ácidos grasos poliinsaturados. La cantidad de lípidos y proteínas resultaron dependientes del contenido de fósforo en el suelo. Se estableció que la secreción de néctar comienza con la antesis y cesa luego de 15 horas, mostrando un pico de producción en antesis máxima, y que la remoción del mismo disminuye su tasa de reabsorción. La humedad del suelo afectó la secreción de néctar sólo en condiciones extremas. La secreción de azúcar óptima (351,58μg; 29,07%) se produjo a 21,48°C y 100% de humedad relativa del aire. La eficiencia de pecoreo de néctar superó el 90%, no siendo afectada por la cantidad y concentración del mismo. Se encontró que el ancho de la lámina de los pétalos varió proporcionalmente al agua útil del suelo y la humedad relativa del aire, e inversamente con la temperatura. La humedad relativa aumentó la intensidad del color de los pétalos, que variaron de levemente verdosos a ligeramente anaranjados a medida que la temperatura disminuyó. El comportamiento de pecoreo de la abeja melífera fue diferente con cada una de las recompensas de esta especie. Se estableció que en las primeras horas de la mañana, Apis mellifera pecorea polen y néctar, sobre el mediodía la cosecha de polen disminuye considerablemente hasta cesar en horas de la tarde, registrándose solo visitas en busca de néctar. Se postula que las abejas optimizan la recolección de néctar maximizando el número de flores pecoreadas, disminuyendo la distancia entre las mismas. En cambio, en la recolección de polen, detectan flores con gran cantidad de esta recompensa, recorriendo mayores distancias. / Diplotaxis tenuifolia (L.) DC. “wallrocket” (Fam. Brassicaceae) produces great amounts of monofloral honey in southwest Buenos Aires province, which fluctuate over the years. The study of the estimated productivity of floral rewards allows the planification of use the beekeeping flora in a certain region. The development of this kind of research is based on Reproductive Biology since the potential production of floral rewards of a species can be estimated from flower productivity per square meter, amount of reward per flower, and factors modifying these variables. In this study, it was found that D. tenuifolia germinates in a wide range of environmental condition, and its optimum is 25° C and short photoperiod (8:16h), with vernalized seeds. Flowering is conditioned by day length which places it under the quantitative requirements species classification, also showing compensation between population density and the number of racemes per plant. Flower self-incompatibility was confirm, and they turned out to be homogamous as they begin to open at dawn, and immediately after the occurrence of the first solar rays, release pollen and the stigmas become receptive. Senescence occurs 31 hours after anthesis. Daily rate of flower production per raceme does not vary with environmental conditions. Pollen grain production per flower was independent from the time of the year in which this species blooms. Pollen harvest efficiency by A. mellifera was approximately 80%, and this variable increased with pollen offer per unit area. The color of fresh pollen loads and its moisture content allowed predicting the color of dry ones since R and G variables increase with lipid content and G also raise with proteins. It was determined that pollen contains over 20% of crude protein and possesses essential amino acids for the human being and the honey bee. Its lipid content was 10,30 ± 0,52%, with a large amount of polyunsaturated fatty acids. Lipid and protein contents were dependent on the phosphorus in the soil. It was also established that nectar secretion begins with the anthesis and stops after 15 hours, showing a production peak in full anthesis, and that its removal decreases the resorption rate. Soil humidity affected nectar secretion only in extreme conditions. The optimum sugar secretion (351,58μg; 29,07%) occurred at 21,48°C and 100% relative humidity. Nectar forage efficiency exceeded 90% and was not affected by nectar amount or concentration. It was found that the width of petal blades varied proportionally with useful soil water and air relative humidity, and inversely with temperature. Relative humidity increased the petal color intensity, which varied from faintly greenish to slightly orange as temperature decreased. Forage behavior of honey bee differed with each reward of this species. Settled in the early hours of the morning, Apis mellifera forages pollen and nectar, around noon pollen harvest decreases considerably until it stops in the afternoon, registering only visits in search of nectar. It is postulate that bees optimize nectar collection by maximizing the number of visited flowers, decreasing the distance between them. Instead, in pollen harvest, they detect flowers with large amounts of this reward, traveling longer distances.

Les plantes médicinales Diplotaxis harra et Diplotaxis simplex occupent une place importante dans la pharmacopée traditionnelle grâce à leurs compositions variées en métabolites secondaires tels que les flavonoïdes. Ces derniers jouent un rôle important dans plusieurs activités biologiques, notamment anti-inflammatoires et anti-cancéreuses. Dans ce contexte, et à la recherche de molécules bioactives dans D. harra et D. simplex, nous avons mis au point un nouveau modèle d'étude in vitro des cellules souches à l'origine des pathologies inflammatoires et cancéreuses coliques où leur survie dépend de l'activation de la Glycogène Synthase Kinase 3beta (GSK3beta) en aval du récepteur de protéases inflammatoires PAR2. Ce modèle a permis la purification bioguidée de glucoflavonoïdes à partir d'un extrait méthanolique des fleurs de D. harra capables d'inhiber GSK3beta via la voie PKC. Ainsi, l'Isorhamnétine-3,7-di-O-glucoside s'est révélé cytotoxique vis à vis des cellules inflammatoires ou cancéreuses coliques tout en épargnant les cellules normales. D'autre part, en raison de l'intérêt grandissant porté aux fractions volatiles en thérapeutique, nous avons étudié les compositions chimiques et les activités antioxydantes des fractions volatiles des feuilles et des fleurs de D. simplex. En se basant sur la technique chromatographique en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS), nous avons montré que les deux fractions volatiles contiennent des quantités importantes de composés soufrés/azotés, parmi lesquels le 5-methylthiopentanenitrile et le 1-isothiocyanatobutane pourraient être impliqués dans l'effet antioxydant des fleurs de D. simplex. En conclusion, nos travaux ont permis de révéler l'axe PAR2/GSK3beta comme une nouvelle voie de survie des cellules souches coliques et l'intérêt thérapeutique des glucoflavonoïdes et des fractions volatiles de l'espèce Diplotaxis. / The medicinal plants Diplotaxis harra and Diplotaxis simplex occupy an important place in traditional medicine due to their varied compositions in secondary metabolites such as flavonoids. Flavonoids play an important role in many biological activities, including inflammation and cancer. In this context and in search of bioactive molecules in D. harra and D. simplex, we have developed a new study model, in vitro, where colonic stem cells causing inflammatory diseases and colorectal cancer survive through the activation of Glycogen Synthase Kinase 3beta (GSK3beta) downstream of inflammatory proteases PAR2 receptor. This model allowed the bio-guided purification of glucoflavonoids from a methanol extract of D. harra flowers able to inhibit GSK3beta via a PKC-dependent pathway. Thus, isorhamnetin-3,7-di-O-glucoside was found to be cytotoxic against inflammatory or colon cancer cells while sparing normal cells. On the other hand, due to the growing interest in therapeutic volatile fractions, we studied the chemical composition and antioxidant activity of volatile fractions of leaves and flowers of D. simplex. Based on the gas chromatography mass spectrometry technique (GC-MS), we have shown that both volatile fractions contain significant amounts of sulfur/nitrogen compounds, including 5-methylthiopentanenitrile and 1-isothiocyanatobutane, which might be involved in the antioxidant effect of flowers from D. simplex. In conclusion, our work revealed the axis PAR2/GSK3beta as a new survival pathway for colon stem cells and the therapeutic value of glucoflavonoids and volatile fractions of Diplotaxis species.

Tesis por compendio / [ES] En las sociedades modernas ha aumentado la demanda de alimentos funcionales, así como la alimentación como una experiencia gastronómica. Surge así una oportunidad de revalorizar el uso de plantas silvestres comestibles mediante su domesticación y adaptación a cultivo. Algunas de estas especies, además de incorporar sabores distintos, son percibidas como beneficiosas para la salud, factor que a nivel científico puede corresponder con la acumulación de compuestos bioactivos. La presente Tesis es un trabajo de evaluación y pre-domesticación de dos especies de amplia distribución en nuestra región, destacadas por su alto potencial funcional y calidad organoléptica. El objetivo es, por un lado, aumentar el conocimiento en estos componentes de la calidad; y por otra parte, establecer una base para los programas de domesticación y adaptación a cultivo. La primera parte de esta Tesis se centra en el potencial de la berraza. Hasta la fecha se ha descrito su alto potencial en términos de contenido en fenoles totales y capacidad reductora de radicales libres. Nuestros resultados ampliando el número de muestras no sólo confirman dicho potencial, sino que establecen además una clara correlación entre ambos caracteres. Se sugiere así que la capacidad reductora de la berraza está principalmente definida por la acumulación de compuestos fenólicos, especialmente derivados de la quercetina. Por otro lado, el perfil volátil revela una prevalencia de compuestos terpenoides y fenilpropanoides. Este perfil es único en comparación con otras especies cultivadas; se identifican, sin embargo, ciertas similitudes que podrían explicar la relación de sabor entre ellas. Pese a su interés funcional y aromático, el cultivo convencional resulta poco prometedor. Queda no obstante la vía abierta a nuevos trabajos de adaptación a cultivo hidropónico como alternativa prometedora. La segunda parte de la Tesis está orientada al estudio de la rabaniza. Debido a la latencia secundaria de su semilla, se hace necesario en primer lugar establecer un tratamiento efectivo que permita obtener una germinación elevada y uniforme. Nuestros resultados sugieren un uso combinado de hipoclorito de sodio y ácido giberélico, tratamiento adecuado en los programas de mejora y que puede ser además adaptado para su uso comercial a gran escala. Los resultados de calidad funcional destacan especialmente la acumulación de ácido ascórbico, de alto poder antioxidante. En su perfil de glucosinolatos destaca la sinigrina, de potencial funcional y responsable en gran medida de su aroma; los resultados sugieren, no obstante, la síntesis de otros glucosinolatos. Es, por el contrario, acumuladora de nitratos como antinutrientes, factor que será determinante en las prácticas aplicadas para su futuro cultivo. Se han caracterizado además los materiales disponibles para identificar rasgos de interés a nivel morfoagronómico. La moderada variabilidad morfológica tiene claras implicaciones para los programas de mejora, limitando el número de cultivares a desarrollar. Por otra parte, el test hedónico sugiere que se pueden desarrollar distintos productos comerciales, como germinados y brotes tiernos, destinados a distintos nichos de mercado. Finalmente, se han evaluado dos sistemas modelo de cultivo, campo e invernadero, y el comportamiento en diversos ciclos. La producción en campo aumenta la calidad visual y funcional, con mayor contenido en vitamina C y fenoles y menor acumulación de nitratos. Sugerimos pues la producción de rabaniza en campo. No obstante, los meses más fríos pueden afectar negativamente la calidad, lo que supone una vía a nuevos estudios. En definitiva, los trabajos de esta Tesis aumentan, por un lado, el conocimiento morfroagronómico, nutracéutico y volátil de las plantas silvestres utilizadas. Suponen además una base para el establecimiento de estas especies como nuevos cultivos en las regiones mediterráneas, identifican / [CA] En les societats modernes ha augmentat la demanda d'aliments funcionals i s'ha promogut a més l'alimentació com una experiència gastronòmica. Sorgeix així una oportunitat de revaloritzar l'ús de plantes silvestres comestibles, mitjançant la seua domesticació i adaptació a cultiu. Algunes d'aquestes espècies, a més d'incorporar sabors diferents, són percebudes com a beneficioses per a la salut, factor que a nivell científic pot correspondre amb l'acumulació de compostos bioactius. La present Tesi es un treball d'avaluació i pre-domesticació de dues espècies d'àmplia distribució a la nostra regió, destacades per un alt potencial funcional i qualitat organolèptica. L'objectiu és, d'una banda, augmentar el coneixement d'aquests dos components de la qualitat; i d'altra banda, establir una base per als programes de domesticació i adaptació a cultiu. La primera part d'aquesta Tesi se centra en el potencial del creixen de sèquia. Fins hui s'ha descrit el seu potencial en termes de contingut en fenols totals i capacitat reductora de radicals lliures. Els nostres resultats ampliant el nombre de mostres no solament confirmen aquest potencial, sinó que estableixen a més una clara correlació entre els dos caràcters. Se suggereix així que la capacitat reductora del creixen està principalment definida per l'acumulació de compostos fenòlics, especialment derivats de la quercetina. D'altra banda, el perfil volàtil revela una prevalença de compostos terpenoids i fenilpropanoids. Aquest perfil és únic en comparació amb altres espècies cultivades; no obstant això, s'identifiquen certes similituds que podrien explicar la relació entre aquestes espècies. Malgrat el seu interés funcional i aromàtic, el cultiu convencional és poc prometedor. No obstant això, queda oberta la via a nous treballs d'adaptació a cultiu hidropònic com a alternativa prometedora. La segona part de la Tesi està orientada a l'estudi de la ravenissa. A causa de la latència secundària de la seua llavor, es fa necessari en primer lloc establir un tractament efectiu que permeta obtindre una germinació elevada i uniforme. Els resultats suggereixen un ús combinat d'hipoclorit de i àcid giberèlic. Aquest tractament és adequat en els programes de millora i pot ser a més adaptat per al seu ús comercial a gran escala. Els resultats de qualitat funcional destaquen l'acumulació d'àcid ascòrbic, de gran poder antioxidant. En el seu perfil de glucosinolats destaca la sinigrina, de potencial funcional i responsable en gran manera de la seua aroma; els resultats suggereixen, a més, la síntesi d'uns altres glucosinolats. És, per contra, acumuladora de nitrats com a antinutrients, factor que serà determinant en les pràctiques que s'empren per al seu futur cultiu. S'han caracteritzat a més els materials disponibles per a identificar caràcters d'interés morfoagronòmic. La moderada variabilitat morfològica té clares implicacions per als programes de millora, limitant el nombre de varietats comercials a desenvolupar. D'altra banda, el test hedònic suggereix que es poden desenvolupar diferents productes comercials com són germinats i brots tendres, destinats a diferents mercats. Finalment, s'han avaluat dos sistemes de cultiu, camp i hivernacle, i el comportament en diversos cicles. La producció en camp augmenta la qualitat visual i funcional, amb un major contingut en vitamina C i compostos fenòlics i menor acumulació de nitrats. Suggerim doncs la producció de ravenissa sota camp. No obstant això, els mesos més freds poden afectar negativament la qualitat, el que suposa una via a nous estudis. En definitiva, els treballs d'aquesta Tesi augmenten, d'una banda, el coneixement morfroagronòmic, nutricèutic i volàtil de les plantes silvestres utilitzades. Suposen a més una base per a l'establiment d'aquestes espècies com a nous cultius adaptats a les regions mediterrànies, identificant punts clau per a la seua adaptaci / [EN] Modern societies have increased the demands on functional, as well as the consideration of feeding as a gastronomic experience. These key points encourage the revalorization of wild edible plants by means of the domestication and adaptation into crop systems. Some of these species, apart from providing new tastes, are also perceived as beneficial for health. These perceived benefits can scientifically correspond to the accumulation of bioactive compounds. The current Thesis is aimed at the evaluation and pre-domestication of two wild species broadly found in our region, which highlight for their functional potential and organoleptic quality. The aim is, on one hand, to increase the knowledge on these components of quality; and, on the other hand, to establish a basis for the domestication and crop adaptation programs. The first part of this Thesis is focused on analyzing the potential of water celery. Previous authors have described high antioxidant properties for this species in terms of content in total phenolics and free radical scavenging capacity. Our work with a larger quantity of materials confirms this potential and establishes a clear correlation between both traits. Thus, we suggest that the free radical scavenging capacity is mainly due to the accumulation of phenolics, mainly quercetin derived compounds. On the other hand, the volatile profile is rich in terpenoid compounds and phenylpropanoids. Such profile is unique compared to other cultivated species. However, there are some similarities that may explain the resemblances among them. Despite the functional and aromatic interest of water celery, its adaptation into conventional systems is not greatly promising. Nevertheless, we suggest that future works could consider the hydroponic system as a promising alternative. The second part of this Thesis is focused on the study of wall rocket. Due to the secondary dormancy of their seeds, it is firstly needed the establishment of an adequate treatment for a high and uniform germination. Our results suggest the synergistic use of sodium hypochlorite together with gibberellic acid. This treatment can be successfully used in breeding programs, and also adapted for commercial application in a productive scale. Results of the functional quality highlight the accumulation of ascorbic acid, with high antioxidant power. Sinigrin is the main glucosinolate determined. Sinigrin has high functional potential and is great responsible of the aroma in wall rocket. Moreover, results suggest that other glucosinolates are also present. On the other hand, wall rocket accumulates high levels of nitrates as antinutrients. This trait is a critical determinant for the cultivation practices to be used. The available materials have been also characterized in order to identify morphoagronomic traits of interest. The moderate morphological variability has clear implications for breeding programs and the quantity of cultivars that can be obtained. On the other hand, the hedonic test suggests that several products could be commercially exploited, including microgreens and baby-leaves. The development of different commercial products can increase the market opportunities. Finally, two model systems of cultivation, field and greenhouse, and also the behavior of plants under different growing cycles, have been evaluated. The field production increases the visual and functional quality, with the enhancement of vitamin C and total phenolic and the reduction of nitrates. Thus, we suggest that commercial production should be performed under field conditions. Nevertheless, increasing the quality during the coldest months is still an area of study. In summary, this Thesis increase the morphoagronomic, nutraceutical and volatile knowledge on the wild plants used. In addition, these works are a basis for the establishment of these species as new crops adapted to the Mediterranean regions, with the identification of key points for crop adaptation. / Guijarro Real, C. (2019). Prospección, recuperación, selección y pre-domesticación de plantas autóctonas con alto potencial funcional [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133054 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio