Γενετική μελέτη και βελτίωση τοπικών φυσικών πληθυσμών χαμομηλιού (Matricaria chamomilla L.) για χαρακτηριστικά απόδοσης και ποιότητας αιθερίου ελαίου

Abstract

In this study, eleven Greek native chamomile populations were initially evaluated. One of them (ch. 19/2009) presented a promising chemotype, mainly in terms of two significant components of the essential oil that determine its quality (α-bisabolol and chamazulene). This population joined a three-year breeding program, where pedigree honeycomb methodology was followed, and a sequential selection pattern took place, starting with NR-0 design and continuing the following year with twelve entries of this population. These entries were evaluated in R-13 design and the best individual plants were selected, to compose the six superior entries for the third year, which were evaluated in R-7 design. Through this breeding process for three consecutive years, five entries (products of individual plant selection) prevailed both for agronomical characteristics and for essential oil quality and created a new upgraded population. The fourth experimental year this new population was evaluated concerning morphological, agronomical characteristics and quality of essential oil in dense planting conditions (30x30 cm), both compared to the initial population (ch. 19/2009) and to commercial diploid and tetraploid varieties (Banatska, Lutea, Goral). The experimental design was based on the randomized complete block design (RCBD). At the same time, an attempt was made to make the new population more stable regarding its characteristics. So, the entire experimental process was conducted under controlled self-fertilization, using isolation techniques for each genotype of the experiment. Simultaneously with the above experimental stages, intercropping was performed for one growing season between genotypes of different ploidy levels via honeycomb design (R-7), where two remarkable native populations (ch. 19/2009 and ch. 40/2015) and five commercial diploid (Banatska) and tetraploid (Bodegold, Lutea, Zloty Lan, Goral) varieties participated. The aim was to create a mixed population design which could lead to new beneficial variability (MAGIC populations) and perhaps to triploid genotypes through natural cross-fertilization. Furthermore, the ploidy level of the initial population (ch. 19/2009), as well as of the commercial varieties used during the final evaluation (Banatska, Lutea, Goral) was studied. So, the number of chromosomes and the number of chloroplasts in the guard cells was measured for each genotype. Also, an estimation of nuclear DNA content using flow cytometry took place. In addition, the variability within the initial population (ch. 19/2009) and the genetic relationships within the genotypes of the final stage of evaluation (ch. 19/2009, new upgraded population, Banatska, Lutea, Goral) were analyzed using ISSR molecular markers. The results of this study emphasized the remarkable existing variability in Greece, and the possibility of exploiting this variability on breeding programs to create superior genotypes of chamomile. Specifically, a new upgraded population morphologically, agronomically and for essential oil quality compared to the initial one was achieved. In fact, with the adequate methods of selection this new population presented a similar or even better chemotype with respect to α-bisabolol and chamazulene, in relation to already known remarkable quality varieties. Therefore, it is possible to be created soon the first Greek variety of chamomile, competitive to the foreign ones and adapted in Greek soil-climatic conditions.

Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διατριβής μελετήθηκαν αρχικά έντεκα ελληνικοί αυτοφυείς πληθυσμοί χαμομηλιού, εκ των οποίων επιλέχθηκε ένας (ch. 19/2009), επειδή παρουσίασε έναν ιδιαίτερα υποσχόμενο χημειότυπο, κυρίως ως προς δύο σημαντικά συστατικά του αιθερίου ελαίου που καθορίζουν την ποιότητά του (α-βισαβολόλη και χαμαζουλένιο). Ακολούθως, ο πληθυσμός αυτός εντάχθηκε σε τριετές βελτιωτικό πρόγραμμα, όπου εφαρμόστηκε η γενεαλογική μεθοδολογία σε κυψελωτή διάταξη και ακολουθήθηκε το σχήμα διαδοχικής επιλογής, ξεκινώντας από ένα σχέδιο NR-0 και συνεχίζοντας την επόμενη χρονιά με τη χρήση δώδεκα επιλεγμένων οικογενειών σε R-13 διάταξη. Μετά την αξιολόγηση επιλέχθηκαν τα καλύτερα ατομικά φυτά, ώστε να συντεθούν οι έξι υπέρτερες οικογένειες κατά την τρίτη χρονιά, που αξιολογήθηκαν σε R-7. Μέσω της τριετούς διαδικασίας επιλογής προέκυψαν τελικά πέντε οικογένειες (προϊόντα επιλογής ατομικών φυτών) που υπερίσχυσαν ως προς τα αγροκομικά γνωρίσματα και την ποιότητα και οι οποίες συνέθεσαν ένα νέο βελτιωμένο πληθυσμό. Ο νέος αυτός πληθυσμός αξιολογήθηκε την τέταρτη χρονιά πειραματισμού ως προς τα μορφολογικά, αγροκομικά χαρακτηριστικά και την ποιότητα αιθερίου ελαίου σε συνθήκες πυκνής φύτευσης (30x30 cm), και συγκρίθηκε σε σχέση με τον αρχικό πληθυσμό από τον οποίο προήλθε, και με διπλοειδείς και τετραπλοειδείς εμπορικές ποικιλίες (Banatska, Lutea, Goral). Το πειραματικό σχέδιο που εφαρμόστηκε ήταν των τυχαιοποιημένων πλήρων ομάδων (RCBD). Παράλληλα, έγινε προσπάθεια σταθεροποίησης του νέου πληθυσμού και των χαρακτηριστικών του μέσω ελεγχόμενης αυτογονιμοποίησης εντός κλωβών απομόνωσης για κάθε ένα από τα υλικά του πειράματος. Συγχρόνως με τα παραπάνω πειραματικά στάδια, πραγματοποιήθηκε για μία καλλιεργητική περίοδο συγκαλλιέργεια μεταξύ γενοτύπων διαφορετικών επιπέδων πλοειδίας μέσω κυψελωτής διάταξης (R-7), όπου συμμετείχαν δύο αξιόλογοι ως προς τη σύσταση αιθερίου ελαίου φυσικοί πληθυσμοί (ch. 19/2009 και ch. 40/2015) και πέντε εμπορικές διπλοειδείς (Banatska) και τετραπλοειδείς (Bodegold, Lutea, Zloty Lan, Goral) ποικιλίες. Στόχος ήταν να δημιουργηθεί ένα σχήμα μεικτού πληθυσμού, που θα οδηγήσει σε νέα ωφέλιμη παραλλακτικότητα (MAGIC populations) και πιθανό να προκύψουν τριπλοειδείς γενότυποι κάτω από συνθήκες φυσικής διασταύρωσης. Παράλληλα, μελετήθηκε το επίπεδο πλοειδίας του αρχικού υπέρτερου πληθυσμού (ch. 19/2009), καθώς επίσης και των εμπορικών ποικιλιών που χρησιμοποιήθηκαν κατά την τελική αξιολόγηση (Banatska, Lutea, Goral). Μετρήθηκε επομένως ο αριθμός των χρωμοσωμάτων για κάθε γενότυπο, καθώς επίσης και ο αριθμός των χλωροπλαστών στα καταφρακτικά κύτταρα. Επιπλέον, εκτιμήθηκε η ποσότητα DNA στον πυρήνα των κυττάρων βλαστικών ιστών με τη χρήση κυτταρομετρίας ροής. Ακόμη, με τη χρήση μοριακών δεικτών τύπου ISSR μελετήθηκε η παραλλακτικότητα εντός του αρχικού πληθυσμού (ch. 19/2009) και οι γενεαλογικές σχέσεις και γενετικές συγγένειες μεταξύ των γενοτύπων του τελικού σταδίου αξιολόγησης (ch. 19/2009, νέος αναβαθμισμένος πληθυσμός, Banatska, Lutea, Goral). Τα αποτελέσματα τόνισαν την έντονη φυσική παραλλακτικότητα που υπάρχει στον ελλαδικό χώρο και επισημάνθηκε η δυνατότητα ανάδειξης και εκμετάλλευσης αυτής σε προγράμματα βελτίωσης, ώστε να προκύψουν υπέρτεροι γενότυποι χαμομηλιού. Συγκεκριμένα, επιτεύχθηκε η δημιουργία νέου αναβαθμισμένου πληθυσμού, ανώτερου του αρχικού μορφολογικά και αγροκομικά και σε επίπεδο ποιότητας. Μάλιστα, με τις κατάλληλες μεθόδους επιλογής ο βελτιωμένος πληθυσμός παρουσίασε παρόμοιο ή καλύτερο χημειοτυπικό προφίλ ως προς την α-βισαβολόλη και το χαμαζουλένιο, σε σχέση με ήδη γνωστές αξιόλογες ποιοτικά εμπορικές ποικιλίες. Επομένως, είναι εφικτό να προκύψει σύντομα η πρώτη ελληνική ποικιλία χαμομηλιού, ανταγωνίσιμη των ξένων και κατάλληλη για τις εδαφοκλιματικές συνθήκες της χώρας.