Mediterranean odorscapes: the role of plants' volatile organic compounds in pollination networks

Abstract

At present, overexploitation of species, aggressive agricultural practices, land-use changes, biological invasions, pollution, and climate change represent, in descending order of magnitude, the main global-scale threats to biodiversity. Given that the majority of these phenomena represent threats also to plant–pollinator interactions worldwide, intensive research efforts across the world are focusing on disentangling the dynamics and structure of the p–p interactions, so that prevention, conservation, and restoration strategies can be effectively designed and implemented. In this context, this thesis focuses on the sensory ecology of pollination, in particular, on the role of floral signals as perceived by pollinating insects in structuring the pollination network of a natural community. I first find an unprecedented fine-tuning of floral scent and color implying a community-wide floral phenotypic integration according to the sensory systems of pollinators, especially bees. Next, by using innovative methods to analyze the pollination network of the same phryganic community, I find that network cohesiveness relates to floral scent and floral color as perceived by pollinators. Results suggest a hypothesis on the role of the profuse emissions of aromatic plants in mediterranean-type scrublands, and highlight the fundamental connection between bees and floral cues in this ecosystem. Floral sensory diversity emerges as an important component of functional diversity that could help designate influential plants in the community, to be used in targeted restoration practices for maintaining network dynamics and facilitative effects. Then, I analyze the network of associations between the insects and the volatile organic compounds of the plants in the community, as a new methodology for studying chemically-mediated plant–arthropod interactions. Finally, I focus on plant volatile compounds as natural products, and I built a geo-database of the chemical diversity of plants in Greece, by combining data published in the last 25 years. This approach allowed the development of the first chemodiversity maps, as a special case of natural product maps.

Η βιοτική επικονίαση είναι μία οικοσυστημική λειτουργία-κλειδί για τη διατήρηση της φύσης και της παγκόσμιας πρωτογενούς παραγωγής. H διατήρηση καθώς και η εξέλιξη της χερσαίας βιοποικιλότητας της Γης εξαρτώνται από την ποιότητα και την αποτελεσματικότητα των αλληλεπιδράσεων αμοιβαιότητας μεταξύ ανθοφόρων φυτών και επικονιαστών. Επιπλέον, η επιβίωση των ανθρώπων βασίζεται, επίσης σε μεγάλο βαθμό, στους επικονιαστές, δεδομένου ότι περισσότερα από 1500 καλλιεργούμενα είδη φυτών παγκοσμίως επικονιάζονται από ζώα, κυρίως έντομα. Στις μέρες μας, όπου οι κύριες απειλές κατά της βιοποικιλότητας σε παγκόσμια κλίμακα αποδεδειγμένα δρουν και ενάντια στις επικονιαστικές σχέσεις, έρευνες σε όλον τον κόσμο επικεντρώνονται ολοένα και συχνότερα στην κατανόηση της δομής και της δυναμικής των αλληλεπιδράσεων φυτών–επικονιαστών, προκειμένου οι πρακτικές οικολογικής διατήρησης και αποκατάστασης να σχεδιάζονται και να εφαρμόζονται αποτελεσματικά. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην αισθητηριακή οικολογία (sensory ecology) της επικονίασης, ειδικότερα στον τρόπο με τον οποίο τα σήματα που εκπέμπονται από τα άνθη και στοχεύουν στα αισθητηριακά συστήματα των επικονιαστών (όραση και όσφρηση) σχετίζονται με την πραγματοποιούμενη ανθική επισκεψιμότητα. Τα ανθικά σήματα, οπτικά και οσφρητικά, με την τεράστια ποικιλία χρωμάτων, σχημάτων και αρωμάτων, έχοντας ως πρωταρχική λειτουργία τη διαμεσολάβηση στην επικοινωνία μεταξύ φυτών και επικονιαστών, αναμένεται να επιδρούν στη δομή των δικτύων φυτών–επικονιαστών και, συνακόλουθα, στη δομή της βιοκοινότητας. Αρχικά, διερευνάται το ανθικό αισθητηριακό τοπίο μιας φρυγανικής βιοκοινότητας στη Λέσβο. Τα ευρήματα αποκαλύπτουν μία ενδιαφέρουσα φαινοτυπική συνδιακύμανση του ανθικού αρώματος και χρώματος όπως το αντιλαμβάνονται οι επικονιαστές. Στη συνέχεια, τα δεδομένα αυτά συνθεωρούνται στην ανάλυση του δικτύου φυτών–επικονιαστών της μελετώμενης βιοκοινότητας και τα αποτελέσματα καταδεικνύουν σαφή συσχέτιση των ανθικών χαρακτήρων με τη συμπεριφορά, δηλ. τον λειτουργικό ρόλο των φυτών στο δίκτυο αλληλεπιδράσεων. Τα ευρήματα επιτρέπουν τον μελλοντικό σχεδιασμό στοχευμένων πρακτικών οικολογικής διατήρησης και αποκατάστασης βιοκοινοτήτων με βάση την αισθητηριακή ποικιλότητα της αρχικής βιοκοινότητας και εφαρμόζοντας στοχευμένες επιλογές ειδών-κλειδιών για την προσέλκυση συγκεκριμένων ομάδων εντόμων. Ακολούθως, εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία ανάλυσης δικτύων, παρουσιάζεται το πρώτο δίκτυο εντόμων–ανθικών αρωμάτων συντεθειμένο από (α) τα δεδομένα του δικτύου ανθικής επισκεψιμότητας από έντομα-επικονιαστές, και (β) από τα χημικά δεδομένα του ανθικού αρώματος των φυτών που έχουν συλλεγεί στη βιοκοινότητα μελέτης. Τα αποτελέσματα καθιστούν τα διμερή δίκτυα ειδών–μεταβολιτών ένα νέο εργαλείο μελέτης της χημικής επικοινωνίας φυτών και αρθροπόδων. Τέλος, το ερευνητικό ενδιαφέρον εστιάζεται στην αξία των φυτικών αρωμάτων ως φυσικά προϊόντα, αναπτύσσοντας μία γεω-βάση δεδομένων της χημικής ποικιλότητας των φυτικών αρωμάτων στην Ελλάδα με την οποία μελετάται η κατανομή και οι ιδιότητες των πτητικών οργανικών ενώσεων των φυτών, και καθίσταται δυνατή η παραγωγή χαρτών χημικής ποικιλότητας ως μια ειδική περίπτωση χαρτογράφησης φυσικών πόρων.