Η φυλλόσφαιρα ειδών μεσογειακών οικοσυστημάτων ως ενδιαίτημα επίφυτων μικροβίων

Abstract

The aim of this study was to assess and explain the patterns of bacterial colonization of the phyllosphere of Mediterranean species in terms of factors governing them. The overall hypothesis is that the size and composition of epiphytic microbial communities can be explained and concomitantly predicted on the basis of the conditions of the environment, where they occur, and of the structural and chemical attributes of the plants that sustain them. Eight perennial, woody and non-woody species, native in the Mediterranean environment and spontaneously occurring and co-existing in the study area, in Sithonia, Halkidiki (N Greece), were investigated. The climate of the study area is typically Mediterranean with rather mild and wet winters and hot, dry summers; August is the driest month of the year. The woody species are Arbutus unedo L., Quercus coccifera L., Pistacia lentiscus L., Myrtus communis L., Lavandula stoechas L. and Cistus incanus L., all common constituents of the Mediterranean-type ecosystems of Greece. The non-woody species are Calamintha nepeta (L.) Savi and Melissa officinalis L. both dwelling in less arid microsites of the study area; the former occurring in open spaces, whereas the latter exclusively along a seasonal stream. A. unedo, Q. coccifera, P. lentiscus and M. communis are tall evergreen-sclerophyllous shrubs, major components of maquis, whereas L. stoechas and C. incanus are low, seasonal dimorphic, drought semideciduous shrubs, commonly found in phrygana; maquis and phrygana being the two representatives of Mediterranean-type ecosystems. Four species, M. communis, L. stoechas, C. nepeta and M. officinalis produce essential oils in considerable quantities. The particular objectives set to attain the goal of the study were to determine a) the level of similarity of the eight plant species after their structural and chemical characteristics, b) the size, distribution and seasonal variation of the bacterial population occurring on their phyllosphere, c) the antimicrobial activity of the secondary metabolites of their leaves, d) the metabolic profile of the epiphytic bacterial communities, e) the metabolic profile of the bacterial communities of the soil which supports these plants species, f) the functional diversity of the epiphytic and soil bacterial communities and their interrelationship, and g) the relationship between the size of the phyllosphere bacterial population and the leaf structural and chemical attributes. In order to examine the structural leaf traits of the eight species, leaf samples were collected in August 2001 when the leaves were fully expanded. We measured the thickness of leaf lamina, cuticle and epidermise of adaxial and abaxial leaf surfaces, as well as of the palisade and spongy parenchymas. We also estimated the specific leaf mass (SLM), the density of stomata, the density of glandular and non-glandular hairs and the relative volumes of the leaf tissues and of the intercellular spaces of the mesophyll. While the evergreen-sclerophyllous species are characterized by thicker leaves, thicker cuticles, and more compact mesophyll, the seasonally dimorphic and the non-woody perennials bear hairs. All species had a high stomatal density on the abaxial leaf surface. Phenolic compounds were only observed in A. unedo, Q. coccifera and P. lentiscus. Well known features of xeromorphic leaves, like the development of the palisade tissue at the expense of the spongy one, were not found in the species examined; in the evergreen-sclerophyllous M. communis, in particular, there was an exceptional development of the spongy parenchyma over the palisade one. SLM, leaf thickness and relative contribution of the two mesophyll components show considerable plasticity. Traits of presumably high discriminant value, like the sclerophylly index (SLM), cannot clearly separate the representatives of the different life-form groups.

Σκοπός της παρούσας έρευνας είναι η αναγνώριση και ερμηνεία των προτύπων βακτηριακής εποίκισης της φυλλόσφαιρας των φυτών στο Μεσογειακό περιβάλλον. Μελετήθηκαν οκτώ πολυετή είδη, όλα αυτοφυή και συνυπάρχοντα σε ένα Μεσογειακό σύστημα, στη Σιθωνία Χαλκιδικής. Είναι τα αείφυλλα-σκληρόφυλλα Arbutus unedo, Quercus coccifera, Pistacia lentiscus, Myrtus communis, τα ξηρο-ημιφυλλοβόλα (εποχικά διμορφικά) Lavandula stoechas και Cistus incanus, καθώς και τα ποώδη Calamintha nepeta και Melissa officinalis. Τα M. communis, L. stoechas, C. nepeta και M. officinalis συγκροτούν επιπλέον την ομάδα των αρωματικών φυτών. Για την επίτευξη του ως άνω σκοπού, εκτιμήθηκε α) ο βαθμός ομοιότητας των οκτώ ειδών με βάση δομικές και χημικές παραμέτρους, β) το μέγεθος, η διανομή και η εποχική μεταβολή του πληθυσμού βακτηρίων στην επιφάνεια των φύλλων τους, γ) η αντιμικροβιακή δράση των δευτερογενών μεταβολιτών των φύλλων τους, δ) ο μεταβολικός χαρακτήρας των βακτηριακών βιοκοινοτήτων της φυλλόσφαιρας των οκτώ ειδών, ε) ο μεταβολικός χαρακτήρας των εδαφικών βακτηριακών βιοκοινοτήτων της περιοχής όπου φύονται τα οκτώ φυτικά είδη, στ) η λειτουργική ποικιλότητα των επίφυτων και εδαφικών βακτηριακών βιοκοινοτήτων και η μεταξύ τους συγγένεια και ζ) η σχέση μεταξύ μεγέθους βακτηριακού πληθυσμού της φυλλόσφαιρας με δομικούς και χημικούς χαρακτήρες των φύλλων. Από την έρευνα προέκυψε ότι τα αείφυλλα-σκληρόφυλλα ξεχωρίζουν από τα υπόλοιπα είδη που μελετήθηκαν με βάση τα παχύτερα φύλλα τους, το παχύτερο μεσόφυλλο και την απουσία τριχώματος (αδενικού ή μη). Ωστόσο, αναγνωρισμένοι ξηρομορφικοί χαρακτήρες είτε δε συνυπάρχουν σε όλα τα ξηρομορφικά είδη (π.χ. υπεροχή δρυφακτοειδούς έναντι σπογγώδους παρεγχύματος) είτε δεν τα διακρίνουν πάντα από τα υπόλοιπα (π.χ. δείκτης σκληροφυλλίας). Ως προς τα χημικά τους γνωρίσματα, τα πολυετή ποώδη είδη έχουν τις υψηλότερες συγκεντρώσεις αζώτου και φωσφόρου στα φύλλα τους, ενώ τα αείφυλλα-σκληρόφυλλα είδη έχουν τις χαμηλότερες, με τα νεαρά φύλλα να περιέχουν περισσότερο άζωτο, φώσφορο και φαινολικές ενώσεις και λιγότερα διαλυτά σάκχαρα από τα ώριμα. Οι συγκεντρώσεις φωσφόρου και αζώτου σχετίζονται θετικά, ενώ οι συγκεντρώσεις φαινολικών ουσιών και αιθερίων ελαίων σχετίζονται αρνητικά. Οι συγκεντρώσεις των πρωτογενών και δευτερογενών μεταβολικών μεταβάλλονται με το χρόνο εμφανίζοντας διαφορετικά εποχικά πρότυπα. Το μέγεθος του βακτηριακού πληθυσμού της φυλλόσφαιρας των οκτώ φυτικών ειδών κυμαίνεται από μη ανιχνεύσιμο μέχρι 1,4 x 107 CFU g -1 στο C. nepeta, με τα πολυετή ποώδη είδη να συντηρούν σταθερά υψηλούς μικροβιακούς πληθυσμούς και τα αρωματικά φυτά κατά μέσο όρο να έχουν υψηλότερη βακτηριακή εποίκιση από τα άλλα. Οι πληθυσμοί που στηρίζουν τα νεαρά και τα καλοκαιρινά φύλλα είναι μικρότεροι των ώριμων φύλλων και αυτών άλλων εποχών, αντίστοιχα. Από τη φυλλόσφαιρα των Μεσογειακών ειδών που εξετάστηκαν απουσιάζουν τα παγοπυρηνοποιητικά βακτήρια.