Επίδραση δευτερογενών μεταβολιτών αρωματικών φυτών στη σύνθεση και το μεταβολισμό της εδαφικής βιοκοινότητας

Abstract

Aromatic plants make a remarkable contribution to the flora and vegetation of the Mediterranean environment. Greece is a country rich in aromatic plants. The essential oils that they contain, products of their secondary metabolism, are well documented for their broad spectrum of activity. In the first section of this dissertation, we examined the potential use of aromatic plants Mentha spicata and Salvia fruticosa as soil amendments in organic cultivation. This section consists of three parts. The first two differ in the type of the plant material amended in the soil which was (i) untreated plant material (leaves) and (ii) composted plant material, of the aromatic plants while at the third part we studied the effect of M. spicata plant material on tomato cultivation under field conditions. In all cases, both M. spicata and S. fruticosa treatments increased soil microbial population sizes; this increase was most pronounced in M. spicata treatments. Stimulation of soil microbes was reflected in decomposition rates, which were remarkably higher than those in the untreated soils. M. spicata plant material significantly increased germination and shoot height of tomato plants at all concentrations and all time intervals tested while incorporation of S. fruticosa plant material had small or no effect on both parameters (germination and seedling elongation). These results provide substantial evidence that soil incorporation of M. spicata plant material is a very promising soil amendment practice in tomato organic farming. In the second section of this dissertation, we examined the way essential oils affect soil bacterial communities in natural systems. We examined the effect of fenchone, 1,8-cineol and α-pinene (constituents found in the essential oils of many aromatic plants) on the bacteria communities of soil samples originating from different ecosystems where aromatic plants can be found or not: a) phrygana, b) oak forest, c) mixed deciduous forest, d) riparian forest, e) desert and f) sandy beach. Weekly addition of these isoprenoid substances in the soil, in most cases, increased soil respiration, which was accompanied by an increase in size and a change in structure of the soil bacterial communities, with favoured strains dominating soil samples. Many of the dominating bacterial strains were found to be able to use the tested monoterpenes as sole carbon and energy source. Such bacterial strains were isolated from soil samples of all systems tested which indicates that bacterial strains capable to biodegrade essential oil constituents aren’t only found in the Mediterranean environment where aromatic plants are common. The presence of the tested essential oil constituents in the soil consists a "disturbance” for the bacterial communities. This “disturbance” only affects their structure though and not their functional diversity. Bacterial strains isolated from all treatments were examined for their morphological and biochemical characteristics while 15 of them were identified. The identified bacterial strains belong in 12 genera: Brevibacterium, Burkholderia (2 strains), Buttiauxella, Corynebacterium (2 strains), Micrococcus (2 strains), Neisseria, Pantoea, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodococcus, Tsukamurella and Variovorax.

Τα αρωματικά φυτά που έχουν μεγάλη συμμετοχή στη χλωρίδα και βλάστηση των Μεσογειακών οικοσυστημάτων, αφθονούν στην Ελλάδα. Χαρακτηρίζονται από την παραγωγή αιθέριων ελαίων που είναι προϊόντα του δευτερογενούς μεταβολισμού τους και έχουν μεγάλη και πολύπλευρη βιολογική δραστικότητα. Στο πρώτο μέρος της διατριβής διερευνήσαμε την επίδραση φυτικού υλικού από τα αρωματικά φυτά Mentha spicata (δυόσμος) και Salvia fruticosa (φασκόμηλο), ως εδαφοβελτιωτικά σε καλλιέργεια τομάτας (Solanum lycopersicum), (i) με κατευθείαν ενσωμάτωση τους στο έδαφος ως ανεπεξέργαστο φυτικό υλικό και (ii) αφού πρώτα τα υποβάλαμε σε διαδικασία κομποστοποίησης, τόσο κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες όσο και σε συνθήκες αγρού. Η παρουσία στο έδαφος τόσο αιθέριων ελαίων, τα οποία απελευθερώνονται από το αποικοδομούμενο φυτικό υλικό του δυόσμου (σε συνθήκες θερμοκηπίου, θαλάμου ανάπτυξης και αγρού) και του φασκόμηλου (σε συνθήκες θερμοκηπίου και θαλάμου ανάπτυξης), οδήγησαν σε αύξηση της εδαφικής αναπνοής και του μεγέθους των βακτηριακών βιοκοινοτήτων σε όλες τις περιπτώσεις που δοκιμάστηκαν γεγονός που εκφράστηκε και σε αυξημένους ρυθμούς αποικοδόμησης. Το φυτικό υλικό του δυόσμου, τόσο ανεπεξέργαστο όσο και με τη μορφή κομπόστας, οδήγησε στις περισσότερες περιπτώσεις σε σημαντική προώθηση της φυτρωτικής ικανότητας και της αύξησης της τομάτας, ενώ αυτό του φασκόμηλου είχε μικρή ή καμιά επίδραση. Τα αποτελέσματα αυτά υποδεικνύουν τη μεγάλη σημασία που μπορεί να έχει η εφαρμογή φυτικού υλικού δυόσμου σε καλλιέργειες τομάτας ως εδαφοβελτιωτικού. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής διερευνήσαμε σε ποιο βαθμό τα αρωματικά φυτά και οι πτητικές ουσίες που απελευθερώνουν, επηρεάζουν τις εδαφικές βακτηριακές βιοκοινότητες σε φυσικά συστήματα. Δοκιμάσαμε τα συστατικά των αιθέριων ελαίων φεγχόνη, 1,8-κινεόλη και α-πινένιο και εκτιμήσαμε την επίδρασή τους στις βιοκοινότητες εδαφικών δειγμάτων που προέρχονταν τόσο από μεσογειακά οικοσυστήματα (φρύγανα) όσο και από άλλα συστήματα, στα οποία είτε δεν απαντώνται αρωματικά φυτά είτε δεν αποτελούν το κύριο χαρακτηριστικό τους (δάσος βαλανιδιάς, παραποτάμιο δάσος, αμμώδης ακτή, μικτό φυλλοβόλο δάσος, έρημος). Η εβδομαδιαία προσθήκη των ισοπρενοειδών ουσιών στα εδαφικά δείγματα προκάλεσε στις περισσότερες περιπτώσεις αύξηση της εδαφικής αναπνοής, η οποία συνοδευόταν από αντίστοιχη αύξηση του μεγέθους και μεταβολή της σύνθεσης των βακτηριακών βιοκοινοτήτων, σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα δείγματα. Σχεδόν σε κάθε δοκιμή ‘έδαφος - ουσία’, συγκεκριμένα βακτηριακά στελέχη ευνοούνται από την παρουσία της συγκεκριμένης ουσίας, αυξάνονται και τελικά κυριαρχούν. Πολλά από τα βακτηριακά στελέχη που κυριαρχούν εμφανίζουν ικανότητα χρήσης των συστατικών των αιθέριων ελαίων που δοκιμάστηκαν ως πηγή άνθρακα και ενέργειας. Η παρουσία της φεγχόνης, της κινεόλης και του πινένιου στο εδαφικό περιβάλλον αποτέλεσε μια «διαταραχή» για τις βακτηριακές βιοκοινότητες η οποία είχε επίδραση μόνο στη δομή των βακτηριακών βιοκοινοτήτων και όχι στη λειτουργικότητά της καθώς οι μεταβολές αφορούσαν κυρίως τα μεγέθη των πληθυσμών των βακτηριακών βιοκοινοτήτων και όχι τον πλούτο ειδών τους. Προέκυψε ότι βακτήρια ικανά να χρησιμοποιούν τα αιθέρια έλαια ως υπόστρωμα αύξησης δεν απαντούν μόνο στο Μεσογειακό περιβάλλον, καταστώντας δυνατή τη διαδικασία της αποικοδόμησης, αλλά είναι πολύ περισσότερο κοινά απ’ ό,τι μέχρι σήμερα πιστευόταν. Τα βακτήρια που απομονώθηκαν από όλα τα δείγματα σε όλους τους δειγματοληπτικούς χρόνους, μελετήθηκαν ως προς τα μορφολογικά και βιοχημικά τους χαρακτηριστικά. Από αυτά τα στελέχη τα 15 ταυτοποιήθηκαν σε επίπεδο είδους και ανήκουν σε 12 διαφορετικά γένη: Brevibacterium, Burkholderia (2 στελέχη), Buttiauxella, Corynebacterium (2 στελέχη), Micrococcus (2 στελέχη), Neisseria, Pantoea, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodococcus, Tsukamurella και Variovorax.