Εποχικός διμορφισμός και καταπόνηση ψύχους στο θυμάρι (Thymus sibthorpii Bentham), το τεύκριο (Teucrium polium L.) και το δίκταμο (Origanum dictamnus L.)

Abstract

The seasonal dimorphism (winter-summer) and the cold/heat stress effects were studied in three aromatic plants, the thyme (Thymus sibthorpii Bentham), the mountain germander (Teucrium polium L.), and the dittany (Origanum dictamnus L.). The thyme and mountain germander were studied at the region of Ormylia Chalkidiki (40ο16'48"Ν, 23°33΄54"Ε, 49m a.s.l.) and the dittany at the Aromatic Plant Institute, NAGREF, Thessaloniki (40ο54'03"Ν, 23°00΄18"Ε, 16m a.s.l.). All three plants belong to the Lamiaceae family. Plant collections and measurements were conducted in the years 2009, 2010, 2011, during the winter period and summer period, respectively. At the biotope of Ormylia, the climatic conditions in summer were mild (average daily air temperature 24.3oC, average daily air humidity 63.3%, average daily rainfall 1.0mm) and they do not favour the development of heat/drought stress. On the contrary, in winter, the climatic conditions appear to trigger cold stress (average daily air temperature 7.3 oC -min 3.5 oC-, average daily relative air humidity 78.0%, average daily rainfall 1.9mm). At the biotope of NAGREF, the average daily air temperature in summer was 25.8oC, the average daily relative air humidity 60.5%, and the average daily rainfall 1.0mm. In winter, the average daily air temperature was 7.9oC, the average daily relative air humidity 77.4%, and the average daily rainfall 2.4mm. The studied plants they form small clusters of densely-arranged short shoots, whereas in summer they are high herbs or subshrubs. The comparison of developed winter and summer leaves showed that winter leaves have smaller size, thicker blade, denser glandular and non-glandular hairs, more mesophyll chlorenchyma cells, more chloroplasts with highly-developed grana, and also vacuoles filled with phenolic compounds. Summer leaves, on the contrary, have larger size, thinner blade, scanty glandular and non-glandular hairs, less mesophyll parenchyma, fewer and smaller chloroplasts with highly-developed plastoglobuli, and also vacuoles which lack of phenolics. The measurements of the basic physiological parameters (rate of photosynthesis, rate of transpiration, stomatal conductance, intercellular CO2) showed a high rate of photosynthesis, in winter leaves, while the other parameters did not largely deviate between winter and summer leaves. The increased photosynthesis in winter leaves is attributed to the necessity for production of higher amounts of photosynthetic carbon needed for the biosynthesis of various antioxidant secondary metabolites (vacuolar phenolics, glandular hair essential oils, etc) involved in the protection from oxidative stress due to winter cold (production of free oxygen radicals, ROS). Former observations of various researchers on phryganic plants, suggested that the above-mentioned leaf traits principally occur in summer plants undergoing drought stress. However, in our case, those leaf traits were not observed in summer plants, but in winter plants. This fact constitutes a first strong indication that our plants at the concrete biotope of study, undergo winter cold stress rather than summer drought stress. On the other hand, climatic conditions during summer are mild and do not favour the development of drought stress. A further support of this view comes from biochemical tests with proline and soluble sugars. These substances constitute stress indicators of plants. The concentrations of proline and soluble sugars were found to be higher in winter leaves than in summer leaves, a fact strengthening the cold-stress in terpretation. Measurements of inorganic elements and trace elements in winter and summer leaves showed that concentrations were higher in winter leaves, an event associated with the biosynthesis of secondary metabolites during winter. The gas-chromatographic analysis (GCMS) of the essential oils derived from winter and summer leaves, resulted that oil yields of Thymus sibthorpii and Teucrium polium were higher in winter leaves, whereas in Origanum dictamnus in summer leaves. Essential oil yields were combined with the number of the essential oil-secreting glandular hairs which are the exclusive sites of essential oil biosynthesis.. Conclusively, the obtained results (morphological, anatomical, cytological, morphometrical, physiological, biochemical and analytical) provide a strong indication that the studied plants at the concrete region of the experiment, undergo cold stress in winter and not drought stress in summer. This is a first report on phryganic dimorphic plants suffering cold stress.

Μελετήθηκαν ο εποχικός διμορφισμός (χειμώνας-καλοκαίρι) και η θερμοκρασιακή καταπόνηση (stress) σε τρία αρωματικά φυτά, το θυμάρι, το τεύκριο και το δίκταμο. Tο θυμάρι (Thymus sibthorpii Bentham) και το τεύκριο (Τeucrium polium L.) μελετήθηκαν στην περιοχή της Ορμύλιας Χαλκιδικής (40ο16'48"Ν, 23°33΄54"Ε, 49m a.s.l.) και το δίκταμο (Origanum dictamnus L.) στο αγρόκτημα του ΕΛ.Γ.Ο.-ΔΗΜΗΤΡΑ (ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε) Θεσσαλονίκης (40ο54'03"Ν, 23°00΄18"Ε, 16 m a.s.l.). Και τα τρία φυτά ανήκουν στην Οικογένεια Lamiaceae. Οι συλλογές και μετρήσεις του φυτικού υλικού έγιναν την τριετία 2009, 2010, 2011, τόσο κατά την χειμερινή περίοδο, όσο και κατά τη θερινή. Στο βιότοπο της Ορμύλιας, το καλοκαίρι οι κλιματικές συνθήκες είναι ήπιες (μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα κατά τα 3 έτη που μελετήσαμε 24,3oC, μέση ημερήσια σχετική υγρασία αέρα 63,3%, και μέση ημερήσια βροχόπτωση 1,0mm), δηλ. δεν υπάρχουν συνθήκες καταπόνησης τω φυτών λόγω καύσωνα και ξηρασίας. Αντίθετα, το χειμώνα επικρατούν συνθήκες καταπόνησης λόγω ψύχους (μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα κατά τα 3 έτη 7,3οC - ελάχιστη 3,5 οC-, μέση ημερήσια σχετική υγρασία αέρα 78,0%, και μέση ημερήσια βροχόπτωση 1,9mm). Στο αγρόκτημα του ΕΛ.Γ.Ο.-ΔΗΜΗΤΡΑ (ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε) Θεσσαλονίκης, η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα το χειμώνα κατά τα 3 έτη ήταν 7,90C, η μέση ημερήσια σχετική υγρασία αέρα 77,4% και η μέση ημερήσια βροχόπτωση 2,4mm. Το καλοκαίρι, η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα ήταν 25,80C, η μέση ημερήσια σχετική υγρασία αέρα 60,5% και η μέση ημερήσια βροχόπτωση 1,0mm. Το χειμώνα τα φυτά σχηματίζουν μικρά συναθροίσματα από πυκνούς κοντούς βλαστούς, ενώ το καλοκαίρι είναι ψηλές πόες ή υπόθαμνοι. Από τη σύγκριση διαφοροποιημένων φύλλων χειμώνα και καλοκαιριού, βρέθηκε ότι τα χειμερινά φύλλα έχουν μικρότερο μέγεθος, παχύτερο έλασμα, πυκνότερες αδενικές και μη-αδενικές τρίχες, περισσότερο μεσοφυλλικό χλωροφυλλούχο παρέγχυμα, περισσότερους και μεγαλύτερους χλωροπλάστες με πολυαριθμότερα και ογκωδέστερα grana, καθώς και χυμοτόπια γεμάτα με φαινολικές ουσίες. Τα καλοκαιρινά φύλλα, αντίθετα, έχουν μεγαλύτερο μέγεθος, λεπτότερο έλασμα, αραιότερες αδενικές και μη-αδενικές τρίχες, λιγότερο χλωροφυλλούχο παρέγχυμα, λιγότερους και μικρότερους χλωροπλάστες με λίγα grana και πολλά πλαστοσφαιρίδια, και τα χυμοτόπια τους δε φέρουν καθόλου φαινολικές ουσίες. Η μέτρηση των βασικών φυσιολογικών παραμέτρων σε φύλλα χειμώνα και καλοκαιριού (ρυθμός φωτοσύνθεσης, ρυθμός διαπνοής, στοματική αγωγιμότητα και μεσοκυτταρικό CO2) έδειξε ότι, ενώ στις τρεις παραμέτρους (ρυθμός διαπνοής, στοματική αγωγιμότητα και μεσοκυτταρικό CO2 ) οι τιμές δεν παρουσιάζουν μεγάλη απόκλιση ανάμεσα σε χειμώνα και καλοκαίρι, αντίθετα, ο ρυθμός φωτοσύνθεσης εμφανίζεται πολύ μεγαλύτερος το χειμώνα από ότι το καλοκαίρι. Το γεγονός αυτό οφείλεται στη αναγκαιότητα παραγωγής περισσότερου φωτοσυνθετικού άνθρακα το χειμώνα για τη βιοσύνθεση διαφόρων αντιοξειδωτικών δευτερογενών μεταβολιτών (χυμοτοπιακές φαινόλες, αιθέρια έλαια αδενικών τριχών, κλπ), οι οποίοι είναι απαραίτητοι για την προστασία από τη οξειδωτική καταπόνηση λόγω ψύχους (παραγωγή ελεύθερων ριζών οξυγόνου, ROS). Από παρατηρήσεις ερευνητών που έγιναν μέχρι τώρα σε διάφορα φρυγανικά φυτά, βρέθηκε ότι τα παραπάνω μορφολογικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά των φύλλων συναντώνται σε φυτά καλοκαιριού που υφίστανται ξηροθερμική καταπόνηση. Στην περίπτωση μας όμως, αυτά τα χαρακτηριστικά καταπόνησης δεν παρατηρήθηκαν σε φυτά καλοκαιριού, αλλά σε φυτά χειμώνα. Αυτό αποτελεί μια πρώτη ισχυρή ένδειξη ότι τα φυτά μας στο συγκεκριμένο βιότοπο που αναπτύσσονται υφίσταται καταπόνηση ψύχους το χειμώνα και όχι ξηροθερμική καταπόνηση το καλοκαίρι. Άλλωστε, το καλοκαίρι οι κλιματικές συνθήκες είναι ήπιες και δεν ευνοούν τη δημιουργία ξηροθερμικής καταπόνησης. Προς ενίσχυση των παραπάνω μορφολογικών και φυσιολογικών δεδομένων, χρησιμοποιήθηκαν επιπλέον και βιοχημικές μέθοδοι μέτρησης της προλίνης και των διαλυτών σακχάρων στα φύλλα. Οι ουσίες αυτές αποτελούν δείκτες καταπόνησης των φυτών. Οι τιμές των συγκεντρώσεων προλίνης και διαλυτών σακχάρων βρέθηκαν υψηλότερες στα φύλλα χειμώνα σε σχέση με τα φύλλα καλοκαιριού, κάτι που ενισχύει την άποψη περί καταπόνησης ψύχους. Από τις μετρήσεις των συγκεντρώσεων 9 βασικών ανοργάνων στοιχείων και ιχνοστοιχείων σε φύλλα χειμώνα και καλοκαιριού προέκυψε ότι αυτές είναι μεγαλύτερες το χειμώνα από ότι το καλοκαίρι κάτι που σχετίζεται με τη βιοσύνθεση των δευτερογενών μεταβολιτών το χειμώνα. Η αέριο-χρωματογραφική μελέτη (GCMS) των αιθερίων ελαίων φύλλων χειμώνα και καλοκαιριού και στα τρία αρωματικά φυτά, έδειξε ότι στο Thymus sibthorpii και το Τeucrium polium, η απόδοση σε αιθέριο έλαιο των φύλλων χειμώνα ήταν μεγαλύτερη από εκείνη των φύλλων καλοκαιριού, ενώ στο Origanum dictamnus ήταν μεγαλύτερη στα φύλλα καλοκαιριού. Η αποστακτική μέτρηση του αιθερίου ελαίου συνδυάστηκε με τον αριθμό των αδενικών τριχών, οι οποίες θεωρούνται ως οι αποκλειστικές θέσεις βιοσύνθεσης του αιθερίου ελαίου. Συμπερασματικά, τα καταγεγραμμένα αποτελέσματα (μορφολογικά, ανατομικά, κυτταρολογικά, μορφομετρικά, φυσιολογικά, βιοχημικά και αναλυτικά) αποτελούν ισχυρές ενδείξεις ότι τα τρία φυτά στη συγκεκριμένη περιοχή του πειράματος υφίσταται καταπόνηση ψύχους το χειμώνα και όχι ξηροθερμική καταπόνηση το καλοκαίρι. Αυτή είναι μια πρώτη αναφορά σε φρυγανικά διμορφικά φυτά που αναπτύσσουν αντοχή στην καταπόνηση ψύχους.