Γενετική βελτίωση πολλαπλών γνωρισμάτων στη μαύρη πεύκη (Pinus nigra Arn.)

Abstract

Black pine (Pinus nigra Arn.), in Greece and elsewhere, has great ecological and economic value. Recently, its extracts, containing inter alia stilbenes, have been used in the pharmaceutical and cosmetics industry due to their pharmaceutical action. To study the concentrations of acetone extractives, pinosylvin, its monomethylether and dimethylether derivatives in the black pine, but also heartwood percentage and density, an increment core was extracted per tree, from 5 ramets per clone, from the Koumani’s clonal seed orchard (Ilia). The orchard includes 52 clones, from four provenances of the Peloponnese (Zarouhla, Feneos, Parnonas and Taigetos). In the selected trees, diameter at breast height and tree height were measured while overbark volume was calculated. In the progeny test in Raches (Arcadia), which includes 52 open pollinated families of the orchard’s clones, the diameter at breast height of all trees was measured. Applying linear models, quantitative genetic parameters were estimated. Quantification of stilbenes were performed using qNMR, a method which proved to be a rapid, sensitive and accurate method for their study. The new extraction protocol gave good yields of extracts and stilbenes. The results showed that the heartwood of Pinus nigra, originating from the Peloponnese, is the richest natural source of stilbenes, with a mean concentration 5 times higher than the maximum concentration ever reported in literature for Pinus sylvestris. Among provenances, there were statistically significant differences in acetone extractives, pinosylvin and pinosylvin dimethylether content, heartwood density and growth traits. Parnonas (southeastern) provenance, which is growing in the driest environment, was top ranked for most traits, while Zarouhla (northwest) ranked last. Stilbenes exhibited the highest content in eastern provenances (Parnonas and Feneos) and the smaller one in northwestern (Zarouhla). Statistically significant differences were recorded among clones for all studied traits, indicating efficient clonal selection and use for commercial forest deployment (wood and stilbenes production). The clonal heritability was extremely strong for acetone extracts (0.86), heartwood density (0.83) and tree height (0.82) and just strong for the other traits (0.70-0.79). The expected genetic gain from clonal selection is significant, mainly for stilbene content and growth traits. The heritability of the clones within the provenances also showed high values (0.47-0.91). The phenotypic and genetic correlation coefficients were strong and positive between stilbenes and between growth traits, whereas between stilbenes and growth traits were negative. Despite the negative correlations, correlations breakers, but also exceptional clones with excellent performance were found for positive correlated traits. The above clones can be used in clonal forestry and subsequent breeding cycles. The clonal selection efficiency follows the pattern of genetic correlation coefficients. In the progeny test, the breast height diameter heritability was moderate at individual (0.42) and high at family (0.76) level. The estimated breeding values for breast height diameter for the families tested in the progeny test, revealed that the families originating from Zarouhla had mostly negative breeding values, while those originating from the rest three provenances had positive ones. The combined selection is estimated to yield the maximum genetic gain for diameter at breast height.

Η μαύρη πεύκη (Pinus nigra Arn.), στην Ελλάδα και αλλού, έχει μεγάλη οικολογική και οικονομική αξία. Τελευταία, τα εκχυλίσματά της, που περιέχουν εκτός των άλλων και στιλβένια, χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία φαρμάκων και καλλυντικών, λόγω της φαρμακευτικής τους δράσης. Για τη μελέτη των συγκεντρώσεων των εκχυλισμάτων ακετόνης, πινοσυλβίνης, μονομεθυλαιθέρα και διμεθυλαιθέρα της, στη μαύρη πεύκη, αλλά και της ποσόστωσης και της πυκνότητας εγκαρδίου, εξήχθη ένα τρυπανίδιο ανά δέντρο, από 5 αντίγραφα ανά κλώνο από το σποροπαραγωγό κήπο κλώνων στο Κούμανι Ηλείας. Ο κήπος περιλαμβάνει 52 κλώνους, τεσσάρων προελεύσεων της Πελοποννήσου (Ζαρούχλας, Φενεού, Πάρνωνα και Ταΰγετου). Στα επιλεγμένα άτομα μετρήθηκε η έμφλοια στηθιαία διάμετρος, το ύψος και υπολογίσθηκε ο έμφλοιος όγκος. Στο απογονικό πείραμα στις Ράχες Αρκαδίας, που περιλαμβάνει 52 ημιθαλείς οικογένειες των κλώνων του κήπου, μετρήθηκε η έμφλοια στηθιαία διάμετρος όλων των δέντρων. Εφαρμόζοντας γραμμικά πρότυπα εκτιμήθηκαν ποσοτικές γενετικές παράμετροι. Για την ποσοτικοποίηση των στιλβενίων χρησιμοποιήθηκε η 1D qNMR που αποδείχτηκε ότι είναι ταχεία, ευαίσθητη και ακριβής μέθοδος για τη μελέτη των συγκεκριμένων ουσιών. Το νέο πρωτόκολλο εκχύλισης απέδωσε καλές αποδόσεις εκχυλισμάτων και στιλβενίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το εγκάρδιο της Pinus nigra, προελεύσεων Πελοποννήσου, είναι η πλουσιότερη φυσική πηγή στιλβενίων, με μέση συγκέντρωση 5 φορές υψηλότερη από την ανώτατη συγκέντρωση που αναφέρεται βιβλιογραφικά στη δασική πεύκη. Οι προελεύσεις διέφεραν σημαντικά μεταξύ τους στην περιεκτικότητα εκχυλισμάτων ακετόνης, πινοσυλβίνης και διμεθυλαιθέρα της, την πυκνότητα εγκαρδίου και τα αυξητικά γνωρίσματα. Η νοτιοανατολική προέλευση του Πάρνωνα, που αναπτύσσεται στο πιο ξηροθερμικό περιβάλλον, παρουσίασε τις μεγαλύτερες τιμές για τα περισσότερα γνωρίσματα, ενώ η βορειοδυτική της Ζαρούχλας παρουσίασε τις μικρότερες. Τα στιλβένια παρουσίασαν τη μεγαλύτερη περιεκτικότητα στις ανατολικές προελεύσεις του Πάρνωνα και του Φενεού και τη μικρότερη στης Ζαρούχλας. Στατιστικά σημαντικές διαφορές καταγράφηκαν μεταξύ των κλώνων, καταδεικνύοντας τη δυνατότητα αποτελεσματικής κλωνικής επιλογής και τη χρήση τους σε επιχειρησιακές φυτείες για την παραγωγή ξύλου και στιλβενίων. Η κλωνική κληρονομική ικανότητα ήταν εξαιρετικά ισχυρή για τα εκχυλίσματα ακετόνης (0,86), την πυκνότητα εγκαρδίου (0,83) και το ύψος (0,82), και ισχυρή για τα υπόλοιπα γνωρίσματα (0,70-0,79). Το γενετικό κέρδος που αναμένεται από επιλογή κλώνων είναι σημαντικό κυρίως για την περιεκτικότητα σε στιλβένια και τα αυξητικά γνωρίσματα. Η κληρονομικότητα των κλώνων εντός των προελεύσεων παρουσίασε επίσης υψηλές τιμές (0,47 έως 0,91). Οι συντελεστές φαινοτυπικής και γενετικής συσχέτισης ήταν ισχυροί και θετικοί μεταξύ των στιλβενίων και μεταξύ των αυξητικών γνωρισμάτων, ενώ μεταξύ στιλβενίων και αυξητικών γνωρισμάτων ήταν αρνητική. Παρά τις αρνητικές συσχετίσεις εντοπίσθηκαν φθορείς συσχέτισης αλλά κλώνοι με εξαιρετική απόδοση για θετικά συσχετιζόμενα γνωρίσματα. Οι παραπάνω κλώνοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κλωνική δασοπονία και σε επόμενους βελτιωτικούς κύκλους. Η αποτελεσματικότητα κλωνικής επιλογής ακολουθούσε το πρότυπο των συντελεστών γενετικής συσχέτισης. Στο απογονικό πείραμα η κληρονομικότητα για την έμφλοια στηθιαία διάμετρο ήταν μέτρια σε επίπεδο ατόμων (0,42) και υψηλή σε επίπεδο οικογενειών (0,76). Οι οικογένειες από κλώνους προελεύσεων Πάρνωνα και Ταϋγέτου σημείωσαν περισσότερες θετικές και υψηλές βελτιωτικές τιμές, ενώ αυτές από τη Ζαρούχλα περισσότερες αρνητικές. Η συνδυασμένη επιλογή εκτιμάται να αποδώσει το μέγιστο γενετικό κέρδος σε στηθιαία διάμετρο.