El cardo mariano es un cultivo medicinal importante. En este estudio de campo de dos años, se investigaron la forma óptima (a granel (no estructurado), nanopartículas (NPs)) y concentración (0, 50, 100 mg L) de las aplicaciones de quitosano y dióxido de titanio (TiO) para mejorar el rendimiento de semillas, así como los contenidos minerales de semillas (N, Mg, Fe, Ti), proteínas y aceites en cinco ecotipos. También se evaluó el intercambio gaseoso de las hojas, la relación de fluorescencia variable a máxima (F/F), y la hidratación in situ. El quitosano y el TiO mejoraron todos los rasgos estudiados, siendo el primero generalmente más efectivo. Cuando se aplicaron en forma de NP, el efecto positivo fue más fuerte. Para las NPs de quitosano, una baja concentración fue óptima. El estado de hidratación aumentado se asoció con una mayor conductancia estomática, que, junto con F/F, estaban positivamente relacionados con la tasa fotosintética. El rendimiento de semillas por planta estaba positivamente relacionado con los rasgos principales del capítulo (es decir, diámetro, número y peso de las semillas), así como con el peso de las semillas y el número de capítulos por planta. En conclusión, la mejora del rendimiento y la calidad de las semillas mediante la aplicación de quitosano y TiO en cualquier forma se basó en los mismos componentes, aunque su importancia relativa depende del ecotipo. Las NPs de quitosano fueron las más efectivas, demostrando ser un medio económico, respetuoso con el medio ambiente y sostenible para estimular el rendimiento del cardo mariano.