Ανάπτυξη μεθοδολογίας εντοπισμού οικονομικά σημαντικών μεταβολιτών σε φυτά με αδενώδη τριχώματα

Abstract

This PhD thesis introduces a new methodology, which has been named SyMiC, in order to identify wild plants bearing glandular trichomes that contain "economically important metabolites". The methodology incorporates a pre-selection posses of wild plants based on data derived from dry botanical specimens and the determination of possibilities for further exploitation of their secondary metabolites. The methodology has been analytically applied to the genus Thymus as well as to selected taxa of the genus Origanum, while detailed literature research has been carried out on related data of other gland-bearing taxa mainly belonging to the Lamiaceae and Verbenaceae families. Our efforts to apply and present this methodology have led us to the selection of a taxon, the endemic subspecies Thymus teucrioides subsp. candilicus, as a representative model. This taxon is included in the section Teucrioides, the members of which possessing high density and variation of glandular trichome types appear to be a promising source of active natural antioxidants. Our results have verified the reliability of data derived from dry botanical specimens, the correlation between trichome types and the classification of the taxa that bear these trichomes and the importance of chemical analysis of glandular trichomes contents. It was observed that the constitution of essential oils, the greatest part of which are located in peltate glands, is strongly affected by the developmental stage of trichomes as well as by the methods of isolation and analysis, especially the prevailing conditions. Heat-sensitive substances with high antioxidant and antitumour activities were isolated for the first time from peltate glands, such as p-cymen-2,3-diol, thymoquinone, and 3-hydroxy-2methyl-5isopropyl-p-benzoquinone. Thanks to these substances, the "observation of biosynthetic pathways" of certain components became possible, mainly those of the monoterpene phenols thymol and carvacrol, therefore the Thymus taxon is a perfect model for their study. Moreover, it has been observed that the occurrence of trichomes is an inherent character but their density and therefore the yield of the essential oil depends on factors such environmental conditions, developmental stage and the particular organ. In conclusion, the secondary metabolites composition of the studied taxon and the particularly high yield of the essential oil, were given to it be great biotechnological and pharmacological importance. The efficiency of the proposed SyMiC methodology for the pre-selection of a taxon of prospective interest was thus confirmed.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε μεθοδολογία εντοπισμού αυτοφυών φυτών με αδενώδη τριχώματα που περιέχουν "οικονομικά σημαντικούς μεταβολίτες", την οποία ονομάσαμε SyMiC. Η μεθοδολογία αφορά στην προεπιλογή αυτοφυών φυτών από τα αποξηραμένα βοτανικά δείγματα τους και στον καθορισμό των δυνατοτήτων για την περεταίρω εκμετάλλευση των μεταβολιτών τους. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε διεξοδικά στο γένος Thymus καθώς και σε προεπιλεγμένα taxa του γένους Origanum ενώ διεξήχθη λεπτομερής βιβλιογραφική έρευνα σε taxa των οικογενειών Lamiaceae και Verbenaceae. Ως μοντέλο εφαρμογής-παρουσίασης της μεθοδολογίας SyMiC επιλέχθηκε το ενδημικό υποείδος Thymus teucrioides subsp. candilicus. To taxon ανήκει στο section Teucrioides, τα μέλη του οποίου λόγω της υψηλής πυκνότητας και ποικιλομορφίας των εκκριτικών τριχωμάτων τους αναμένονταν να αποτελέσουν πηγές δραστικών φυσικών αντιοξειδωτικών ουσιών. Τα αποτελέσματα μας τεκμηρίωσαν την αξιοπιστία των δεδομένων που προέρχονται από αποξηραμένα βοτανικά δείγματα, το συσχετισμό των τύπων των τριχωμάτων με την ταξινομική κατάταξη των ειδών που τα φέρουν καθώς και τη σημαντικότητα της χημικής ανάλυσης των εκκριτικών προϊόντων των αδενωδών τριχωμάτων. Παρατηρήθηκε ότι η σύσταση των αιθέριων ελαίων, που κατά το μεγαλύτερο ποσοστό περιέχεται στα ασπιδοειδή τριχώματα, επηρεάζεται ισχυρά από την ωριμότητα των τριχωμάτων καθώς και από τη μέθοδο και τις συνθήκες απομόνωσης και ανάλυσης. Ευπαθείς στη θέρμανση ουσίες, όπως η π-κυμεν-2,3-διόλη, η θυμοκινόνη και η 3-υδροξυ-2-μεθυλ-5-ισοπροπυλ-π-βενζοκινόνη, ουσίες με υψηλή βιολογική και οικονομική σημασία, τις οποίες απομονώσαμε για πρώτη φορά από ασπιδοειδή τριχώματα, μειώνονται δραστικά με την επίδραση θέρμανσης. Λόγω των ουσιών αυτών μας δόθηκε η δυνατότητα "παρατήρησης των βιοσυνθετικών μονοπατιών" ορισμένων ουσιών και κυρίως των μονοτερπενικών φαινολών θυμόλης και καρβακρόλης, γεγονός που ανάγει το μελετώμενο Thymus taxon σε πρότυπο μελέτης τους. Διαπιστώθηκε επίσης ότι η εμφάνιση των τριχωμάτων, παρότι γενετικά καθορισμένη, επηρεάζεται από το βιότοπο, την εποχή, το στάδιο ανάπτυξης καθώς και τη θέση του οργάνου στο φυτό ενώ σχετίζεται με την ποιότητα και κυρίως την απόδοση των αιθέριων ελαίων. Συμπερασματικά, η σύσταση των δευτερογενών μεταβολιτών του μελετώμενου υποείδους και η ιδιαίτερα υψηλή απόδοση του αιθέριου ελαίου του προσδίδουν σε αυτό υψηλή βιοτεχνολογική και φαρμακολογική σημασία, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας SyMiC.