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Doctoral Thesis
2021
Screening and cultivation of chia (Salvia hispanica L.) under Central European conditions : the potential of a re-emerged multipurpose crop
Screening and cultivation of chia (Salvia hispanica L.) under Central European conditions : the potential of a re-emerged multipurpose crop
Abstract (English)
Nowadays, lifestyle and health consciousness are leading to an ever-increasing consumer demand for so-called “superfoods”, which are believed to provide multiple simultaneous health benefits beyond their nutritional value. In parallel, there is greater awareness regarding food origin, social and environmental impacts of consumer’s food choices. To meet those consumer demands, a regional, sustainable production of chia as the most well-accepted “superfood” among German consumers, presents a highly promising opportunity in different industries (packaging, cosmetic, medical, pharmaceutical, neutraceutical, technological, and crop protection) and fields of applications. The potential usage and application of chia is plenty fold and live up to the status of a multipurpose crop. However, as chia is a short-day plant with a threshold of 12–13 h, cultivation was geographically limited to the tropics and subtropics. Yet cultivation expansion of chia to temperate regions (40°-60°) within the cool temperate climate as it prevails for example in Germany however, required an adaptation of genotypes regarding day length sensitivity as cultivation is only feasible during the summer months as the temperature conditions are only fulfilled in these months. Due to the efforts of breeders the photoperiodic sensitivity was overcome and new long-day flowering species, able to induce flower formation under day lengths of up to > 15 hours, were developed. The breakthrough in overcoming the photoperiodic sensitivity enabled the cultivation of chia for its seed production in Europe and made the development of a holistic cultivation system for chia under the given climatic conditions essential. However, abroad from day length additional climate requirements need to be fulfilled, and agronomic management practices need to be developed to finally meet chis seed yield and quality goals.
Therefore, within the current thesis the following objectives were evaluated to select new chia genotypes and establish agronomic management practices improving chia yield and quality traits under European conditions:
- to investigate the cultivability of different chia genotypes under Central European climate conditions
- to determine and specify agronomic and quality traits of different chia genotypes cultivated under Central European climate conditions
- to optimize and establish an applicable cultivation system for chia under the climatic conditions given in Central Europe
- to select new chia genotypes that can be cultivated under Central European climatic conditions
In this respect, climate chamber and field experiments at the University of Hohenheim and its experimental stations ‘Ihinger Hof’ and ‘Eckartsweier’ were conducted between 2015 and 2018. Findings of the first publication showed that three cultivated chia genotypes either day length insensitive (Sahi Alba 914) or adapted to day lengths greater than 12 h surpassed the yields obtained by their countries of origin, and obtained oil, protein, and mucilage contents in line with current literature and the Novel Food-Regulation (EU) 2015/2283, thus possibly representing an attractive alternative to local farmers in Germany. Considering the results, it became apparent that Germany could be seen as a seminal opportunity to expand the cultivation area of chia to latitudes up to 48° N. In times of climate change the broadening of the food base with respective crops could be crucial in the future.
Results presented within the second publication confirmed that the given environmental conditions significantly influenced seed yield and nutrient composition of chia, while the applied agronomic management practices (i) row spacing (35, 50, and 75 cm), (ii) sowing densities (1, 1.5 and 2 kg ha-1) and (iii) N-fertilization rates (0, 20 and 40 kg N ha-1) showed a limited influence. Nevertheless, under the prevailing conditions in Germany, a row spacing of 50 cm, a sowing density of 1.5 kg ha-1 and an N-fertilization rate of 20 to 40 kg N ha-1 could be recommended. It became obvious that more field trials were necessary to provide information regarding the influence of agronomic management practices on overall chia performance and to adapt management practices to maximize chia seed yields and their associated seed quality traits under the given conditions.
Within the third publication it could be concluded that within the given biodiversity of Salvia species, there are existing Salvia hispanica L. (SALV66) and Salvia columbariae Benth. (Golden Chia) varieties adapted to day lengths greater than 12 h showing seed yields almost in line with those of their countries of origin. Both selected chia varieties SALV66 and Golden Chia represented very promising raw materials from a nutritional point of view. The significant seed shattering level of Golden Chia, however, is a huge drawback regarding its commercial production. Therefore, especially concerning Golden Chia breeding efforts and scientific studies on agronomic management practices are of enormous importance. The establishment of chia cultivation under local conditions could be considered as the first step towards a local and sustainable chia value chain in Europe. Chia cultivation in Europe, including Germany would on the one hand fulfil the steadily increasing demand for healthy, environmentally sustainable, and regionally produced food and non-food products. While on the other hand, it would simultaneously represent a profitable economic source of income for local farmers, potentially leading to an economically and environmentally profitable way of broadening the food chain and food base. Improved basic understanding about chia cultivation, the effect of plant constituents, and processing possibilities could help to translate research into
new technological advances.
Abstract (German)
Ein zunehmendes Lifestyle- und Gesundheitsbewusstsein der Verbraucher führte in jüngster Zeit zu einer gesteigerten Nachfrage nach sogenannten "Superfoods", welchen gesundheitsfördernde Eigenschaften zugeschrieben werden. Parallel dazu werden Lebensmittelkaufentscheidungen immer stärker durch das erhöhte Bewusstsein der Verbraucher hinsichtlich der sozialen und ökologischen Auswirkungen in den Herkunftsländern beeinflusst. Eine regionale, nachhaltige Produktion von Chia in Mitteleuropa, kann dieser Nachfrage und dem entsprechenden Verbraucherbewusstsein entgegenkommen. Das breite Spektrum an Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten in diversen Industrien (Verpackung, Kosmetik, Medizin, Pharmazie und Nutrazeutika) abseits der Nahrungsmittelindustrie spricht darüber hinaus auch aus wirtschaftlicher Sicht für den regionalen Anbau.
Da Chia jedoch eine Kurztagpflanze ist, welche Tageslängen von 12-13 Stunden für die Blütenbildung benötigt, war der Anbau bislang geographisch auf die Tropen und Subtropen beschränkt. Eine Ausweitung des Anbaus von Chia in gemäßigte Regionen (40°-60°) innerhalb des kühl-gemäßigten Klimas, wie es z.B. in Deutschland vorherrscht, erforderte jedoch eine Anpassung der Genotypen hinsichtlich der Tageslängenempfindlichkeit. Der Anbau wäre bis dato nur in den Sommermonaten möglich, da nur in diesen Monaten die Temperaturbedingungen erfüllt wurden, dies allerdings dem Tageslängenanspruch einer Kurztagpflanze entgegensteht. Durch züchterische Bemühungen wurde die photoperiodische Sensibilität überwunden und neue Sorten entwickelt, die in der Lage sind, die Blütenbildung unter Tageslängen von bis zu > 15 Stunden zu induzieren.
Durch die Überwindung der photoperiodischen Sensibilität wurde der Anbau von Chia für die Samenproduktion in Mitteleuropa ermöglicht. Dies erfordert jedoch die Entwicklung eines ganzheitlichen Anbausystems für Chia, um letztendlich die geforderten Ertrags- und Qualitätsziele für Chiasamen unter den gegebenen klimatischen Bedingungen zu erreichen. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit folgende Ziele evaluiert, um neue Chia- Genotypen zu selektieren und agronomische Managementpraktiken zu etablieren, die zur Verbesserung des Ertrags und der Qualitätsmerkmale von Chia unter mitteleuropäischen Bedingungen beitragen könnten:
- Untersuchung der Anbaufähigkeit verschiedener Chia-Genotypen unter mitteleuropäischen Klimabedingungen
- Bestimmung und Spezifizierung von agronomischen und qualitativen Merkmalen verschiedener Chia-Genotypen, die unter mitteleuropäischen Klimabedingungen angebaut werden
- Optimierung und Etablierung eines Anbausystems für Chia unter den in Mitteleuropa gegebenen klimatischen Bedingungen
- Selektion neuer, weiterer Chia-Sorten, die unter mitteleuropäischen Klimabedingungen anbaufähig sind
Hierzu wurden in den Jahren zwischen 2015 und 2018 Klimakammer- und Freilandversuche an der Universität Hohenheim und den Versuchsstationen Ihinger Hof und Eckartsweier durchgeführt.
Die Ergebnisse der ersten Publikation zeigten, dass drei kultivierte Chia-Genotypen, die entweder tageslängenunempfindlich (Sahi Alba 914) oder an Tageslängen von mehr als 12 Stunden angepasst waren, Erträge erreichten, die über den Erträgen der Herkunftsländer lagen. Des Weiteren wurden Öl-, Protein- und Schleimstoffgehalte erzielt, die der aktuellen Literatur und der Novel-Food-Verordnung (EU) 2015/2283 entsprachen und somit stellt Chia möglicherweise eine attraktive, alternative Feldfrucht für hiesige Landwirte in Deutschland dar, da in Anbetracht der Ergebnisse deutlich wurde, dass der Anbau von Chia auf Breitengrade bis 48° N ausgedehnt werden könnte. In Zeiten des Klimawandels könnte die Erweiterung der Nahrungsmittelbasis mit entsprechenden Nutzpflanzen essentiell sein. Die in der zweiten Publikation vorgestellten Ergebnisse bestätigten, dass die gegebenen Umweltbedingungen einen signifikanten Einfluss auf den Samenertrag und die Nährstoffzusammensetzung von Chiasamen hatten, während die angewandten agronomischen Managementpraktiken (i) Reihenabstand (35, 50 und 75 cm), (ii) Aussaatstärke (1, 1,5 und 2 kg ha-1) und (iii) N-Düngungsrate (0, 20 und 40 kg N ha-1) einen begrenzten Einfluss aufwiesen.
Dennoch konnte unter den in Deutschland vorherrschenden Bedingungen ein Reihenabstand von 50 cm, eine Aussaatdichte von 1,5 kg ha-1 und eine N-Düngermenge von 20 bis 40 kg N ha-1 empfohlen werden. Es wurde deutlich, dass weitere Feldversuche notwendig sind, um Informationen über den Einfluss der agronomischen Managementpraktiken auf die allgemeine Pflanzenentwicklung zu erhalten und final den Saatgutertrag und die entsprechenden Qualitätsmerkmale von Chia unter den gegebenen Bedingungen zu maximieren.
Im Rahmen der dritten Publikation konnte festgestellt werden, dass innerhalb der gegebenen Diversität der Salvia-Arten, bereits Salvia hispanica L. (SALV66) und Salvia columbariae Benth. (Golden Chia) Sorten verfügbar waren, die an Tageslängen von mehr als 12 Stunden angepasst waren und deren Samenerträge annähernd der der Herkunftsländer entsprachen.
Beide ausgewählten Chia-Sorten SALV66 und Golden Chia stellen aus ernährungsphysiologischer Sicht vielversprechende Rohstoffe dar. Der signifikante Samenausfall von Golden Chia ist jedoch ein großer Nachteil für die kommerzielle Produktion. Daher sind insbesondere hinsichtlich der Golden Chia Züchtungsbemühungen und wissenschaftliche Studien zu agronomischen Managementpraktiken von enormer Bedeutung. Die Etablierung des Chia-Anbaus unter lokalen Bedingungen könnte als erster Schritt zu einer lokalen und nachhaltigen Chia-Wertschöpfungskette in Mitteleuropa angesehen werden. Der Chia-Anbau in Europa einschließlich Deutschland würde einerseits die steigende Nachfrage nach gesunden, nachhaltigen und regional erzeugten Lebensmitteln und Non-Food-Produkten erfüllen. Andererseits würde er gleichzeitig eine lukrative wirtschaftliche Einnahmequelle für lokale Landwirte darstellen. Dies könnte zu einer ökonomisch und ökologisch gewinnbringenden Erweiterung der Nahrungskette und Nahrungsmittelbasis führen. Ein verbessertes Grundverständnis hinsichtlich des Chia-Anbaus, der Inhaltsstoffe und Verarbeitungsmöglichkeiten könnte helfen, Forschung in neue technologische Entwicklungen umzusetzen.
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Notes
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Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2021-08-18
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Free keywords
Salvia hispanica Regional cultivation Crop management Seed yield Seed quality traits Regionales Anbausystem Qualitätsmerkmale Ertragsmerkmale Salvia columbariae Benth.
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Grimes2021,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6673},
author = {Grimes, Samantha Jo},
title = {Screening and cultivation of chia (Salvia hispanica L.) under Central European conditions : the potential of a re-emerged multipurpose crop},
year = {2021},
school = {Universität Hohenheim},
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