Ρύπανση και γενετική προσαρμογή στα δασικά φυτά: βιοπαρακολούθηση και διερεύνηση ανθεκτικότητας με τη χρήση της μαύρης πεύκης (Pinus nigra A.) στη ρύπανση

Abstract

The forest species during their evolution have experienced several and varying environmental changes. Air pollution has been shown that it can be a selective pressure on natural populations of forest tree species. The black pine (Pinus nigra) is one of the main kinds of sensitive Mediterranean ecosystems and is used as a biomarker to air pollution. In this thesis, the effect of pollution on morphological, genetic and epigenetic parameters on natural populations of Pinus nigra was studied as well the response of genotypes under air pollution. TAPM, a prognostic meteorological atmospheric and dispersion model was used in the complex topography of the basin Kozani - Ptolemais, in order to identify areas of the natural distribution of Pinus nigra in the region with contrasting levels of atmospheric pollution. The area Mpourika was selected as the pollutant area and Agia Kiriaki as control. A comparative soil analysis of the two areas was conducted. Chemical characteristics were measured pH, the concentrations of CaCO3 and the percentage of organic matter content. Exchangeable cations Ca, Mg, K, Na soil concentrations of extractable metals Cu, Mn, Zn, Fe DTPA by the method, and the concentrations of the water-soluble Ca, Mg, K, Na, Mn were calculated. The comparative soil analysis of the two locations, Mpourika and Agia Kiriaki, showed that the observed concentrations of air pollutants in the studied areas, does not seem to affect the concentrations of the basic components of soils. The statistically significant differences that were recorded in the concentrations of the elements seem to result from the bedrock of each region. Differentiation of populations was investigated by analyzing the morphological characteristics of cones. The comparative analysis of the percentage of full seeds, weight of 1000 seeds and number of bracts (index of reproduction capacity) was conducted between Agia Kiriaki and Mpourika position. The comparison of morphological parameters showed that the concentrations of air pollutants in the prefecture of Kozani seems not to adversely affect reproductive traits and sustainability of the most affected population. The role of the influence of genetic and epigenetic variation in the development of plants was also investigated. Four combinations of f-AFLP primers were used and produced 283 loci. The average number of polymorphic gene loci was 210. There was a small reduction in the rate of polymorphism and heterozygosity of the overburdened population (Mpourika), which can be a reaction in the selective pressure due to the air pollution of the region. Epigenetic molecular analysis was studied for the first time of black pine. The analysis on the needles of the two populations produced 606 reproducible and stable epigenetic positions (epiloci) and the average number of polymorphic epigenetic positions was 380. The fixation index estimated (Fst) showed that methylation in all categories is statistically significant different between Agia Kiriaki and Mpourika populations, concerning the tissue of the needles. Comparing the genetic and epigenetic diversity of overburdened population (Mpourika) and control population (Agia Kiriaki) for needle tissue, showed that the percentage of polymorphic gene loci of Mpourika was 73.5% for Agia Kiriaki was 74,91%. The percentage though of polymorphic epigenetic gene loci was 77.1% and 68,15% respectively. MSAP analysis for embryos produced 478 stable and repeatable epigenetic positions (epiloci) and the average number of polymorphic epiloci was epigenetic 318. Embryos from Mpourika population exhibited higher methylation in the internal cytosine compared to embryos from Agia Kiriaki population (control). The higher methylation in the early stages of the plants may indicate the need for embryos to absorb the effect of air pollution adding more methylated positions, which may lead to silencing or overexpression of genes with a view to increasing adaptability of plants to changing environmental conditions. Moreover, methylation in Mpourika population was higher for both the needles and embryos tissues. Methylation for different types of tissues of black pine was studied for the first time. The largest percentage of methylation observed in embryos when compared to the corresponding figure for needles maybe is a way for the next generation to adjust to changing environmental conditions.

Τα δασικά είδη κατά την εξέλιξη τους έχουν βιώσει αρκετές και ποικίλες περιβαλλοντικές αλλαγές. Η αέρια ρύπανση έχει αποδειχτεί ότι μπορεί να αποτελέσει επιλεκτική πίεση για τους φυσικούς πληθυσμούς δασικών ειδών. Η μαύρη πεύκη (Pinus nigra Arn.) αποτελεί ένα από τα θεμελιώδη είδη των ευαίσθητων μεσογειακών οικοσυστημάτων και χρησιμοποιείται ως βιοδείκτης στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η επίδραση της ρύπανσης σε ποσοστικά γνωρίσματα, στη γενετική και στην επιγενετική συγκρότηση φυσικών πληθυσμών της Pinus nigra Arn. και η διερεύνηση των σχέσεων ρύπανσης και ανταπόκρισης γενοτύπων. Χρησιμοποιήθηκε το προγνωστικό μετεωρολογικό μοντέλο ατμοσφαιρικής διασποράς TAPM στο πολύπλοκο ανάγλυφο του λεκανοπεδίου Κοζάνης – Πτολεμαΐδας, επισημάνθηκαν οι περιοχές της φυσικής εξάπλωσης της Pinus nigra με διαφορική επιβάρυνση από την αέρια ρύπανση και επιλέχθηκαν οι συστάδες μέγιστης και ελάχιστης επιβάρυνσης (control), Μπουρίκα και Αγία Κυριακή αντίστοιχα. Πραγματοποιήθηκε συγκριτική εδαφολογική ανάλυση των δύο περιοχών και μετρήθηκαν το pH, οι συγκεντρώσεις CaCO3, η περιεχόμενη οργανική ουσία, τα ανταλλάξιμα κατιόντα Ca, Mg, K, Na, οι συγκεντρώσεις των εκχυλίσιμων μετάλλων Cu, Mn, Zn, Feκαι οι συγκεντρώσεις των υδατοδιαλυτών Ca, Mg, K, Na, Mn. Η συγκριτική εδαφολογική ανάλυση κατέδειξε ότι οι παρατηρηθείσες διαφορικές συγκεντρώσεις αέριων ρύπων στις υπό μελέτη συστάδες, δεν φαίνεται να επηρεάζουν τις συγκεντρώσεις των βασικών συστατικών των εδαφών. Βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στις συγκεντρώσεις των στοιχείων, οι οποίες ωστόσο φαίνεται να είναι αποτέλεσμα του γεωλογικού υποβάθρου της κάθε περιοχής. Διερευνήθηκε η διαφοροποίηση των πληθυσμών μέσω της ανάλυσης μορφολογικών χαρακτηριστικών κώνων. Έγινε συγκριτική ανάλυση του ποσοστού πλήρων σπερμάτων, του βάρους 1000 σπερμάτων και του αριθμού των βρακτίων (ως δείκτες αναπαραγωγικής ικανότητας), μεταξύ της συστάδας μέγιστης και ελάχιστης επιβάρυνσης. Η σύγκριση των μορφολογικών παραμέτρων έδειξε ότι οι συγκεντρώσεις των αέριων ρύπων στο νομό της Κοζάνης, φαίνεται να μην επηρεάζουν αρνητικά την αναπαραγωγική ικανότητα και την βιωσιμότητα του επιβαρυμένου πληθυσμού. Διερευνήθηκε επίσης ο ρόλος της επίδρασης της γενετικής και επιγενετικής ποικιλότητας στην προσαρμογή των φυτών. Χρησιμοποιήθηκαν 4 συνδυασμοί f-AFLP εκκινητών και προέκυψαν 283 γονιδιακές θέσεις. Ο μέσος αριθμός πολυμορφικών γονιδιακών θέσεων ήταν 210. Παρατηρήθηκε μικρή μείωση του ποσοστού πολυμορφισμού και της ετεροζυγωτίας της συστάδας μέγιστης επιβάρυνσης (Μπουρίκα), η οποία μπορεί να θεωρηθεί αντίδραση στην επιλεκτική πίεση που ασκείται λόγω των αέριων ρύπων της περιοχής. Για πρώτη φορά πραγματοποιήθηκε επιγενετική μοριακή ανάλυση στο είδος της μαύρης πεύκης. Η ανάλυση στις βελόνες των δύο συστάδων παρήγαγε 606 σταθερές και επαναλήψιμες επιγενετικές θέσεις (epiloci) και ο μέσος αριθμός πολυμορφικών επιγενετικών θέσεων ήταν 380. Ο συντελεστής διαφοροποίησης έδειξε ότι σε όλες τις κατηγορίες μεθυλίωσης υπάρχουν στατιστικά σημαντικά διαφορές στα ποσοστά μεθυλίωσης της συστάδας Αγία Κυριακή με τη συστάδα της Μπουρίκας, όσον αφορά τον ιστό των βελονών. Η σύγκριση γενετικής και επιγενετικής ποικιλότητας στην συστάδα μέγιστης επιβάρυνσης (Μπουρίκα) και ελάχιστης επιβάρυνσης (Αγ. Κυριακή) για τον ιστό των βελονών έδειξε ότι το ποσοστό των πολυμορφικών γονιδιακών θέσεων στην συστάδα μέγιστης επιβάρυνσης ήταν ο 73,5% ενώ στην συστάδα ελάχιστης επιβάρυνσης 74,91%. Τα ποσοστά των πολυμορφικών επιγενετικών γονιδιακών θέσεων ήταν 77,1% και 68,15% για τις συστάδες μέγιστης και ελάχιστης επιβάρυνσης αντίστοιχα. Η ανάλυση MSAP για τα έμβρυα των δύο συστάδων παρήγαγε 478 σταθερές και επαναλήψιμες επιγενετικές θέσεις (epiloci) και ο μέσος αριθμός πολυμορφικών επιγενετικών θέσεων ήταν 318. Τα έμβρυα της συστάδας μέγιστης επιβάρυνσης εμφανίζονται με υψηλότερη μεθυλίωση στην εσωτερική κυτοσίνη σε σχέση με τα έμβρυα της συστάδας ελάχιστης επιβάρυνσης. Η μεγαλύτερη μεθυλίωση στα πρωταρχικά στάδια των φυτών ίσως δηλώνει την αναγκαιότητα των εμβρύων να προσαρμοστούν στην επιβάρυνση προσθέτοντας περισσότερες μεθυλιωμένες θέσεις, οι οποίες ενδεχομένως να οδηγήσουν σε σίγαση ή υπερέκφραση γονιδίων με σκοπό την αυξημένη προσαρμοστικότητα των φυτών στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Συγκεντρωτικά, η μεθυλίωση στην επιβαρυμένη συστάδα ήταν υψηλότερη τόσο στις βελόνες όσο και στα έμβρυα. Επίσης μελετήθηκε η μεθυλίωση σε διαφορετικούς τύπους ιστών κάτι που γίνεται για πρώτη φορά στη μαύρη πεύκη. Το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής μεθυλίωσης παρατηρήθηκε στα έμβρυα συγκριτικά με το αντίστοιχο ποσοστό στις βελόνες και θα ενδεχομένως αποτελεί μέσο προσαρμογής της επόμενης γενιάς στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.