Εθνοβοτανική και φυτοχημεία των Umbellifereae (Apiaceae) της Ελλάδας: μελέτη της σύστασης των αιθέριων ελαίων τους, της βιοδραστικότητας τους και των χημειοταξονομικών τους εφαρμογών

Abstract

5Athamanta: three alkaloids and an alcohol. 6Sclerochorton: 2, 3, 6-trimethyl-benzaldehyde 7Selinum: Valencene8Ferula: ledene, α-elemene and dehydro sesquicineole 9Johrenia: 4,4-dimethylnaphthalen-1-one και 2-phenylphenole, 10Opopanax: three farnesyl derivatives and two unidentified compounds 11Heracleum: eight aromatic compounds. During the second approach, all the compounds identified were correlated with the relative metabolic routes and biosynthetic pathways. Through this transformation diversification of essential oil composition was translated into biochemical entities diversification. Categorization of those biochemical activities for the 10 Tribes of the Apioidae Subfamily revealed 6 distinct biochemical entities in the principal metabolic routes level: 1All metabolic routes active: Echinophoreae, Smyrnieae, Apieae, Peucedaneae και Tordylieae 2Inactive metabolic routes of Hydrocarbons, Aminoacids and Cinnamic Acid: Coriandreae3Inactive metabolic routes of Aminoacids and Cinnamic Acid: Scandiceae4Inactive metabolic routes of Aminoacids and Fatty Acids: Caucalideae5Inactive metabolic routes of Fatty Acids, Aminoacids and Cinnamic Acid: Laserpitieae6Inactive metabolic routes of Hydrocarbons, Fatty Acids and Cinnamic Acid: Angeliceae Further investigation of the activity of biosynthetic pathways within Fatty Acids and Cinnamic Acid metabolic routes, extended the distinction between the first biochemical entity’s Tribes by identifying four more combinations that separate effectively three more Tribes: 1All biosynthetic pathways active: Apieae και Tordylieae 2Inactive biosynthetic pathway of phenylpropanoids: Peucedaneae3Inactive biosynthetic pathways of methyl ketones/secondary alcohols and phenols: Smyrnieae4Inactive biosynthetic pathways of methyl ketones/secondary alcohols, phenols and phenylpropanoids: EchinophoreaeRecognition of those basic 10 biosynthetical combinations resulted to the effective biochemical documentation for the taxonomical separation of 9, out of 10, Apioidae Subfamily Tribes.

Η επιστήμη της Γεωπονίας έλκει την καταγωγή της στα βάθη των αιώνων και τις απαρχές της ανθρώπινης κοινωνίας όπως τη γνωρίζουμε σήμερα. Στην αρχή της, η Γεωπονία επικεντρώθηκε σε πρωτογενείς κυρίως παρατηρήσεις των χαρακτηριστικών των φυτών που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τον άνθρωπο, τις οποίες στη συνέχεια χρησιμοποίησε για την καλλιέργεια και χρήση τους. Ανάμεσα στα ιδιαίτερα αυτά χαρακτηριστικά των φυτών, ως κυρίαρχα ορίζονται η διατροφική αξία, το άρωμα, το χρώμα και οι φαρμακευτικές τους ιδιότητες. Με την πρόοδο της επιστήμης ωστόσο οι πρωτογενείς παρατηρήσεις ατόνησαν προς χάριν της εργαστηριακής μελέτης και ανάλυσης. Έτσι, πολλαπλασιάστηκε γεωμετρικά η παραγόμενη γνώση με αποτέλεσμα να γίνεται ολοένα δυσκολότερος ο συσχετισμός των ιδιαίτερα εξειδικευμένων αποτελεσμάτων. Η Χημεία ως μια από τις βασικές επιστήμες μπορεί με την βοήθεια των μαθηματικών να γεφυρώσει το πλήθος των εξειδικευμένων αυτών δεδομένων που είναι διαθέσιμα σήμερα στον ερευνητή. Στο παραπάνω πλαίσιο εντάσσεται η εκπόνηση της διατριβής, η οποία φιλοδοξεί να παρουσιάσει μια συνολική και σύγχρονη θεώρηση της οικογένειας των Σκιαδανθών της Ελλάδας. Μεθοδολογικά, η διενέργειά της στηρίχθηκε σε πρωτότυπες καταγραφές και πρωτογενή ερευνητικά δεδομένα, των οποίων η επεξεργασία και μελέτη πραγματοποιήθηκε με τη χρήση σύγχρονων και καλά τεκμηριωμένων μεθοδολογιών. Απώτερος στόχος είναι η συγκρότηση της συνολικής αυτής μελέτης ως ένα σώμα κειμένου που θα προσφέρει μια διακριτή και τεκμηριωμένη πληροφόρηση για τα Σκιαδανθή της Ελλάδας, σε σχέση με τις παρακάτω τρεις θεματικές ενότητες:Α.Εθνοβοτανική Παρότι από την εποχή του Θεόφραστου τα Σκιαδανθή αποτελούν μια διακριτή κατηγορία φυτών της Ελλάδας, εντούτοις δεν υπάρχει μια συνολική καταγραφή των εθνοβοτανικών τους χρήσεων, ούτε της οικονομικής τους σημαντικότητας. Με βάση την ανάγκη αυτή, το σχετικό αντικείμενο της διατριβής, εστιάστηκε στον Codex Neapolitanus #1, De materia medica, (Dioscorides) και ειδικότερα στον προσδιορισμό των Σκιαδανθών που αναφέρονται σε αυτό και των φαρμακευτικών τους χρήσεων. Στόχος της έρευνας ήταν ο προσδιορισμός ή/και η απόδοση νέων χρήσεων σε γνωστά φαρμακευτικά φυτά. Η μεθοδολογία εργασίας χωρίστηκε σε δύο κύρια στάδια, ένα πρώτο που αναφέρεται στο μετασχηματισμό των δεδομένων του χειρογράφου σε μορφή συμβατή με τις σύγχρονες βοτανικές κλείδες και το δεύτερο που πραγματεύεται τον προσδιορισμό των Σκιαδανθών του χειρογράφου. Σημαντικό ορόσημο για τη διενέργεια της εθνοβοτανικής μελέτης ήταν η ολοκλήρωση της βοτανικά τεκμηριωμένης ταύτισης και των 40 Σκιαδανθών που περιλαμβάνονται στο Codex Neapolitanus #1 (εφεξής ΚΝ). Η εργασία αυτή οδήγησε στον προσδιορισμό των παρακάτω δεκατριών Σκιαδανθών του ΚΝ ως νέων φαρμακευτικών φυτών: 1ΚΡΑΤΑΙΟΝΟΝ (Φ. 88): Kundmania sicula (L.) DC, 2ΠΥΡΕΘΡΟΝ (Φ. 123): Ridolfia segetum (Guss.) Moris , 3ΨΥΛΛΙΟΝ (Φ. 169a): Bupleurum lancifolium Hornem και 4ΚΑΧΡΥ (Φ. 56): Cachrys ferulacea L.5ΔΑΥΚΟC (Φ. 63): Bifora testiculata (L.) Roth, 6ΟΙΝΑΝΘΗ (Φ. 99): Scaligeria cretica (Miller) Boiss.7ΜΥΡΡΙC (Φ. 102): Malabaila graveolens (Sprengel) Hoffm. 8ΛΙΓΟΥΣΤΙΚΟΝ (Φ. 109): Chaerophyllum aromaticum L. 9ΠΕΥΚΕΔΑΝΟΝ (Φ. 125): Ferulago campestris (Besser) Grec.10ΨΕΥΔΟ[ΒΟΥΝΙΟΝ] (Φ. 169b): Pimpinella cretica Poiret11CΕCΕΛΙ ΕΘΙΩΠΙΚΟΝ (Φ. 155a): Bupleurum foliosum Salzm. Ex DC12ΗΡΥΝΓΕΙΟΝ (Φ. 78): Eryngium creticum Lam.13ΖΜΥΡΝΙΟΝ (Φ. 76): Smyrnium olusatrum L. Η διασύνδεση των αναγνωρισμένων βοτανικών taxa με τις εθνοβοτανικές καταγραφές του Κώδικα συμπλήρωσε τη διεθνή τεκμηρίωση για τις χρήσεις 21 Γενών και παρουσίασε πρωτότυπες πληροφορίες σχετικά με 22 διαφορετικές φαρμακευτικές χρήσεις για 13 Γένη και 19 Είδη. Μεταξύ των φαρμακευτικών δράσεων ως πλέον ενδιαφέρουσες για περαιτέρω έρευνα με σκοπό την καλλιέργεια-εμπορική εκμετάλλευση ξεχωρίζουν, οι παυσίπονες, οι αντιφλεγμονώδεις, οι αντιπυρετικές και οι γυναικολογικές.ΒΑιθέρια ΈλαιαΤα περισσότερα φυτά της οικογένειας των Σκιαδανθών εμπεριέχουν αιθέρια έλαια, μια ιδιαίτερη κατηγορία φυσικών προϊόντων με πολλές και ενδιαφέρουσες χρήσεις από τις βιομηχανίες, τροφίμων, καλλυντικών, φαρμάκων και αγροχημικών. Έτσι, στους στόχους της διατριβής εντάχθηκε η παραγωγή πρωτογενών ερευνητικών δεδομένων σχετικά με τη σύσταση και τη βιοδραστικότητα των αιθερίων ελαίων των ελληνικών Σκιαδανθών. Για το σκοπό αυτό απομονώθηκαν αιθέρια έλαια από ελληνικά Σκιαδανθή που δεν είχαν εισέτι μελετηθεί. Σε αυτά προσδιορίστηκε η χημική σύσταση και μελετήθηκε η βιοδραστικότητά τους με στόχο τον προσδιορισμό νέων εμπορικών πηγών φυσικών προϊόντων ή/και την ανάπτυξη νέων βιοκτόνων των εντόμων. Στο πλαίσιο διενέργειας της διατριβής συλλέχθηκαν, προσδιορίστηκαν και αποστάχθηκαν δείγματα από 44 Είδη (31 Γένη) ελληνικών Σκιαδανθών, 25 από τα οποία αποτελούν ενδημικά taxa της Ελλάδος. Από τα Είδη αυτά για τα 29 μελετήθηκε το αιθέριο τους έλαιο για πρώτη φορά διεθνώς και για τα 14 για πρώτη φορά στην Ελλάδα. Στα έλαια αυτά ανιχνεύτηκαν συνολικά 147 συστατικά. Η συγκριτική αξιολόγηση της απόδοσης των Ειδών σε αιθέριο έλαιο ‒και η ποσοτική τους σύσταση‒ ανέδειξε τα παρακάτω έξι Είδη ως νέες πηγές οκτώ φυσικών προϊόντων. Σε αυτά, η απόδοση του καθαρού φυσικού προϊόντος είναι ίση ή μεγαλύτερη του ενός χιλιοστόλιτρου ανά χιλιόγραμμο (mL/Kg) φυτικής βιομάζας. Η μετάφραση του ποσοστού αυτού στο επίπεδο της καλλιέργειας είναι ένα λίτρο ανά τόνο φυτού. Με μέση στρεμματική απόδοση σε βιομάζα 4 τόνους, υπολογίζεται το δυναμικό της καλλιέργειας, το οποίο παρατίθεται σε παρένθεση μαζί με την εμπορική αξία, σε €, για την αντίστοιχη μονάδα προϊόντος:1Bupleurum fruticosum Homem: λεμονένιο (12.9 L/στρέμμα, 3.8-77/Kg) και α-πινένιο (22.6 L/στρέμμα, 248/L). 2Echinophora tenuifolia Tutin: β-φελλανδρένιο (12.1 L/στρέμμα, -/L) και α-πινένιο (6.9 L/στρέμμα,, 248/L). 3Anethum graveolens L.: α-φελλανδρένιο (9.1 L/στρέμμα, 84/Kg) και μεθυλο-ευγενόλη (4.5 L/στρέμμα, 0.75-55.4/Kg).4Peucedanum officinalle L.: 1-βορνυλικός αιθυλεστέρας (14.4 L/στρέμμα, 3,760/L)5Cachrys cristata DC: μυρκένιο (6.7 L/στρέμμα, 92.6/Kg).6Chaerophyllum sp. L.: cis-οκιμένιο (5.7 L/στρέμμα, 598/Kg). Επιπλέον, προσδιορίστηκε η βιοδραστικότητα 24 αιθερίων ελαίων σε σχέση για την τοξικότητά τους κατά των προνυμφών κουνουπιών του γένους Culex pipiens. Σημαντική εντομοκτόνο δράση, με δραστική συγκέντρωση ίση ή μικρότερη με 90 mg/L που επέφερε τη θανάτωση του 95% των προνυμφών κουνουπιών και ίση ή μικρότερη με 65 mg/L για τη θανάτωση του 50% των προνυμφών κουνουπιών επέδειξαν τα αιθέρια έλαια από 11 Είδη των ελληνικών Σκιαδανθών που αποδείχτηκαν ως σημαντικοί παράγοντες για το βιολογικό πληθυσμιακό έλεγχο των κουνουπιών (Σε παρένθεση οι Θανάσιμες δόσεις, 50% και 95% σε mg/L):1Athamanta densa, (50%: 10.17, 95%: 17.14)2Pimpinella tragium, (50%: 50.91, 95%: 62.34)3Oennanthe pimpinelloides, (50%: 37.98, 95%: 65.65)4Pimpinella rigidula, (50%: 39.95, 95%: 66.81)5Echinophora tenuifolia, (50%: 57.69, 95%: 68.08)6Sclerochrton junceum, (50%: 41.83, 95%: 68.80)7Chaerophyllum heldreichii, (50%: 57.20, 95%: 76.53)8Peucedanum neumayeri, (50%: 50.06, 95%: 77.10)9Laserpitium pseudomeum, (50%: 59.35, 95%: 77.22)10Anethum graveolens (50%: 49.93, 95%: 79.03)11Bupleurum fruticosum (50%: 61.95, 95%: 90.36)ΓΧημειοταξονομίαΗ έως τώρα ταξονόμιση των Σκιαδανθών στηρίζεται κυρίως στη μορφολογία των σπερμάτων τους. Όμως η διαδικασία αυτή παρουσιάζει ασυνέχειες σύμφωνα με τις σύγχρονες φυλογενετικές μελέτες, αφού οδηγεί στην ενσωμάτωση ενός μεγάλου ποσοστού παραφυλετικών ή/και πολυφυλετικών taxa στις υφιστάμενες υποοικογένειες και φυλές. Στα πλαίσια διενέργειας της διατριβής πραγματοποιήθηκε μια εντελώς νέα εναλλακτική προσέγγιση της χημειοταξονόμησης των ελληνικών Σκιαδανθών, η οποία χρησιμοποιεί ως βάση τα κύρια συστατικά των αιθερίων ελαίων. Βασικός στόχος της προσπάθειας είναι η αναγνώριση-τεκμηρίωση νέων χημειοταξονομικών δεικτών και μονάδων των ελληνικών Σκιαδανθών και η συγκριτική μελέτη της συστηματικής κατάταξής τους με βάση τις βιοσυνθετικές τους οδούς, όπως αυτές προκύπτουν από τα κύρια συστατικά του αιθερίου ελαίου για κάθε ένα taxa. Στο πλαίσιο της προσπάθειας αυτής χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικές προσεγγίσεις. Από αυτές, η πρώτη ανέδειξε 35 συστατικά με σημαντική αξία ως χημειοταξονομικοί δείκτες για τον προσδιορισμό των παρακάτω 11 διαφορετικών Γενών: 1Scandix: δύο αλκάνια, 2Bifora: τρεις αλδεϋδες. 3Conium: δύο εστέρες4Smyrnium: τέσσερα φουρανικά παράγωγα. 5Athamanta: τρία αλκαλοειδή και μια αλειφατική αλκοόλη. 6Sclerochorton: 2, 3, 6-τριμέθυλ-βενζαλδεΰδη, 7Selinum: Βαλενσένιο8Ferula: λεδένιο, α-ελεμένιο και δεϋδρο-σεσκινεόλη. 9Johrenia: 4,4-διμεθυλναφθαλεν-1-όνη και 2-φαινυλοφαινόλη, 10Opopanax: τρία φαρνεσύλια και δυο μη ταυτοποιημένα συστατικά 11Heracleum: οκτώ αρωματικά συστατικά. Στη δεύτερη μέθοδο, τα συστατικά που ανιχνεύθηκαν ανάχθηκαν στις αντιστοιχούσες μεταβολικές οδούς και βιοσυνθετικά μονοπάτια. Με τον τρόπο αυτό η διαφοροποίηση της σύστασης των αιθερίων ελαίων μεταφράστηκε σε διαφοροποίηση βιοχημικών ενοτήτων. Οι βιοχημικές αυτές διεργασίες ομαδοποιήθηκαν για τις 10 μελετώμενες Φυλές της Υποοικογένειας Apioidae και οι συνδυασμοί τους κατέδειξαν την ύπαρξη 6 βιοχημικών ενοτήτων στο επίπεδο των κύριων μεταβολικών οδών:1Δραστήριες όλες οι μεταβολικές οδοί: Echinophoreae, Smyrnieae, Apieae, Peucedaneae και Tordylieae 2Αδρανείς μεταβολικές οδοί Υδρογονανθράκων, Αμινοξέων και Κινναμικού οξέως: Coriandreae3Αδρανείς μεταβολικές οδοί Αμινοξέων και Κινναμικού οξέως: Scandiceae4Αδρανείς μεταβολικές οδοί Αμινοξέων και Λιπαρών Οξέων: Caucalideae5Αδρανείς μεταβολικές οδοί Λιπαρών Οξέων, Αμινοξέων και Κινναμικού οξέως: Laserpitieae6Αδρανείς μεταβολικές οδοί Υδρογονανθράκων, Λιπαρών Οξέων και Κινναμικού οξέως: AngeliceaeΗ περαιτέρω διερεύνηση της δραστηριοποίησης των βιοσυνθετικών μονοπατιών, εντός των μεταβολικών οδών των Λιπαρών Οξέων και του Κινναμικού Οξέος, επέκτεινε το διαχωρισμό των Φυλών της πρώτης βιοχημικής ενότητας σε τέσσερις επιπλέον συνδυασμούς που διαχωρίζουν αποτελεσματικά τρεις ακόμη Φυλές: 1Δραστήρια όλα τα βιοσυνθετικά μονοπάτια: Apieae και Tordylieae 2Αδρανή βιοσυνθετικά μονοπάτια φαινυλοπροπανοειδών: Peucedaneae3Αδρανή βιοσυνθετικά μονοπάτια των μεθυλοκετονών/δευτεροταγών αλκοολών και φαινυλικών: Smyrnieae4Αδρανή βιοσυνθετικά μονοπάτια μεθυλο κετονών/δευτεροταγών αλκοολών, φαινυλίων και φαινυλοπροπανοειδών: Echinophoreae