Vanessa Harbart

• Protected cultivation in greenhouses or polytunnels offers the potential for sustainable production of high-yield, high-quality vegetables. This is related to the ability to produce more on less land and to use resources responsibly and efficiently. Crop yield has long been considered the most important factor. However, as plant-based diets have been proposed for a sustainable food system, the targeted enrichment of health-promoting plant secondary metabolites should be addressed. These metabolites include carotenoids and flavonoids, which are associated with several health benefits, such as cardiovascular health and cancer protection. Cover materials generally have an influence on the climatic conditions, which in turn can affect the levels of secondary metabolites in vegetables grown underneath. Plastic materials are cost-effective and their properties can be modified by incorporating additives, making them the first choice. However, these additives can migrate and leach from the material, resulting in reduced service life,Protected cultivation in greenhouses or polytunnels offers the potential for sustainable production of high-yield, high-quality vegetables. This is related to the ability to produce more on less land and to use resources responsibly and efficiently. Crop yield has long been considered the most important factor. However, as plant-based diets have been proposed for a sustainable food system, the targeted enrichment of health-promoting plant secondary metabolites should be addressed. These metabolites include carotenoids and flavonoids, which are associated with several health benefits, such as cardiovascular health and cancer protection. Cover materials generally have an influence on the climatic conditions, which in turn can affect the levels of secondary metabolites in vegetables grown underneath. Plastic materials are cost-effective and their properties can be modified by incorporating additives, making them the first choice. However, these additives can migrate and leach from the material, resulting in reduced service life, increased waste and possible environmental release. Antifogging additives are used in agricultural films to prevent the formation of droplets on the film surface, thereby increasing light transmission and preventing microbiological contamination. This thesis focuses on LDPE/EVA covers and incorporated antifogging additives for sustainable protected cultivation, following two different approaches. The first addressed the direct effects of leached antifogging additives using simulation studies on lettuce leaves (Lactuca sativa var capitata L). The second determined the effect of antifog polytunnel covers on lettuce quality. Lettuce is usually grown under protective cover and can provide high nutritional value due to its carotenoid and flavonoid content, depending on the cultivar. To study the influence of simulated leached antifogging additives on lettuce leaves, a GC-MS method was first developed to analyze these additives based on their fatty acid moieties. Three structurally different antifogging additives (reference material) were characterized outside of a polymer matrix for the first time. All of them contained more than the main fatty acid specified by the manufacturer. Furthermore, they were found to adhere to the leaf surface and could not be removed by water or partially by hexane. The incorporation of these additives into polytunnel covers affects carotenoid levels in lettuce, but not flavonoids, caffeic acid derivatives and chlorophylls. Specifically, carotenoids were higher in lettuce grown under polytunnels without antifog than with antifog. This has been linked to their effect on the light regime and was suggested to be related to carotenoid function in photosynthesis. In terms of protected cultivation, the use of LDPE/EVA polytunnels affected light and temperature, and both are closely related. The carotenoid and flavonoid contents of lettuce grown under polytunnels was reversed, with higher carotenoid and lower flavonoid levels. At the individual level, the flavonoids detected in lettuce did not differ however, lettuce carotenoids adapted specifically depending on the time of cultivation. Flavonoid reduction was shown to be transcriptionally regulated (CHS) in response to UV light (UVR8). In contrast, carotenoids are thought to be regulated post-transcriptionally, as indicated by the lack of correlation between carotenoid levels and transcripts of the first enzyme in carotenoid biosynthesis (PSY) and a carotenoid degrading enzyme (CCD4), as well as the increased carotenoid metabolic flux. Understanding the regulatory mechanisms and metabolite adaptation strategies could further advance the strategic development and selection of cover materials.…
• Der geschützte Anbau in Gewächshäusern oder unter Folientunneln bietet die Möglichkeit einer nachhaltigen Produktion von ertragreichem Gemüse hoher Qualität. Die ressourceneffiziente Produktion von mehr auf weniger Fläche ist dabei ein wichtiger Faktor. Lange galt der Gemüseertrag als wichtigstes Kriterium. Die Anreicherung von gesundheitsfördernden sekundären Pflanzenmetaboliten gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt durch die empfohlene pflanzenbasierte Ernährung für ein nachhaltiges Ernährungssystem. Die Sekundärmetabolite Carotinoide und Flavonoide sind mit verschiedenen gesundheitlichen Vorteilen assoziiert, etwa der kardiovaskulären Gesundheit und der Krebsprävention. Das Material eines Gewächshauses beeinflusst die klimatischen Bedingungen im geschützten Anbau. Das resultierende Mikroklima kann sich wiederum auf den Gehalt an Sekundärmetaboliten im Gemüse auswirken. Materialien aus Kunststoff sind kostengünstig und ihre Eigenschaften können durch Zusätze, sogenannte Additive, modifiziert werden. Additive könnenDer geschützte Anbau in Gewächshäusern oder unter Folientunneln bietet die Möglichkeit einer nachhaltigen Produktion von ertragreichem Gemüse hoher Qualität. Die ressourceneffiziente Produktion von mehr auf weniger Fläche ist dabei ein wichtiger Faktor. Lange galt der Gemüseertrag als wichtigstes Kriterium. Die Anreicherung von gesundheitsfördernden sekundären Pflanzenmetaboliten gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt durch die empfohlene pflanzenbasierte Ernährung für ein nachhaltiges Ernährungssystem. Die Sekundärmetabolite Carotinoide und Flavonoide sind mit verschiedenen gesundheitlichen Vorteilen assoziiert, etwa der kardiovaskulären Gesundheit und der Krebsprävention. Das Material eines Gewächshauses beeinflusst die klimatischen Bedingungen im geschützten Anbau. Das resultierende Mikroklima kann sich wiederum auf den Gehalt an Sekundärmetaboliten im Gemüse auswirken. Materialien aus Kunststoff sind kostengünstig und ihre Eigenschaften können durch Zusätze, sogenannte Additive, modifiziert werden. Additive können an die Oberfläche des Materials und aus diesem migrieren, was die Materiallebensdauer einerseits verkürzt und größere Abfallmengen produziert. Andererseits besteht das Risiko einer Umweltemission der Additive. Antifogging-Additive verhindern die Bildung von Kondenswasser Tropfen auf der Oberfläche von Gewächshausfolien, wodurch die Lichtdurchlässigkeit der Folien verbessert, sowie eine mikrobiologische Kontamination vermieden werden kann. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit LDPE/EVA-Gewächshausfolien mit Antifogging-Additiven für einen nachhaltigen geschützten Anbau und verfolgt dabei zwei unterschiedliche Herangehensweisen. Zum einen befasst sich die Arbeit mit den direkten Auswirkungen von Antifogging-Additiven in Folge eines Übergangs auf Salatblätter (Lactuca sativa var. capitata L.) mittels Simulationsversuchen. Um den simulierten Übergang zu untersuchen, wurde zunächst eine Methode zur Analyse des Fettsäureanteils der Additive mittels GC-MS entwickelt. Drei strukturell unterschiedliche Antifogging-Additive (Referenzmaterial) wurden erstmals außerhalb einer Polymermatrix charakterisiert. Sie enthielten diverse Fettsäuren, und somit mehr, als die vom Hersteller angegebene Hauptfettsäure. Des Weiteren wurde gezeigt, dass sie an der Blattoberfläche haften und weder durch Wasser noch teilweise durch Hexan entfernt werden können. Zum anderen wurde der Einfluss von Antifogging-Additiven in Gewächshausfolien auf die Salatqualität untersucht. Salat ist ein Gemüse, das üblicherweise auch unter Schutzabdeckungen angebaut wird und sortenspezifisch größere Mengen an Carotinoiden und Flavonoiden enthält. Der Anbau von Salat unter Antifog-Folientunneln beeinflusste den Carotinoidgehalt, nicht aber den Gehalt an Flavonoiden, Kaffeesäurederivaten und Chlorophyll. Salate, die unter Folientunneln ohne Antifog angebaut wurde akkumulierten höhere Gehalte der Carotinoide, als solche unter Antifog-Folientunneln. Es besteht wahrscheinlich ein Zusammenhang mit der Funktion der Carotinoide als Photosynthesepigmente und der Lichtumgebung. Die Verwendung von LDPE/EVA-Folientunneln beeinflusste allgemein Licht und Temperatur im geschützten Anbau, beide Faktoren sind eng verknüpft. Die Carotinoid- und Flavonoidgehalte waren dabei invers, mit höheren gesamt Carotinoid- und niedrigeren gesamt Flavonoidgehalten von Salaten unter Folientunneln. Die individuellen Flavonoid-Glykoside unterschieden sich innerhalb der Versuchszeiträume (Frühjahr und Herbst) nicht. Es konnte gezeigt werden, dass diese hinsichtlich der UV-Lichtumgebung (UVR8) transkriptionell reguliert werden (CHS). Demgegenüber fanden spezifische Anpassungen der individuellen Carotinoidmetabolite in den Versuchszeiträumen statt. Die fehlende Korrelation der Carotinoidmetabolite und der Transkripte des Hauptenzyms der Biosynthese (PSY) und eines Carotinoid-abbauenden Enzyms (CCD4) sowie der erhöhte Carotinoid-Stoffwechselfluss deuten auf eine post-transkriptionelle Regulierung hin. Die Regulationsmechanismen und Anpassungsstrategien der sekundären Pflanzenstoffe in Gemüse zu verstehen, könnte zukünftig zur strategischen Entwicklung und Auswahl von Gewächshausmaterialien beitragen.…