Οικοφυσιολογικές παράμετροι και οπτικές ιδιότητες φύλλων αείφυλλων φυτών, με έμφαση στη χαρουπιά (Ceratonia siliqua L.), ως δείκτες απόκρισης σε αβιοτική καταπόνηση

Abstract

Mediterranean ecosystems, characterized by mild rainy winters, followed by long, hot, dry, and sunny summers have peculiar vegetation dominated by evergreen sclerophyllous shrubs and phrygana. These plants adapt to environmental pressures through mechanisms to avoid or mitigate the negative effects of extreme conditions on their leaves. For many decades human activity has caused marked changes in the composition of the atmosphere with adverse effects on the health and growth of living organisms and ecosystems. The urgent need to monitor and evaluate the management of industrial zones to reduce air pollution has led to the improvement and development of monitoring methods for different habitats. At the same time, biological monitoring methods based on the study of leaf reflectance of plants were used. The plant species, Ceratonia siliqua (carob), is a typical mediterranean plant which has adaptive mechanisms that make it resistant to drought, salinity, nutrient deficiencies and polluted environments. At the same time, the plant does not have special requirements in terms of soil conditions and cultivation. It is widely used in the food, cosmetics, and pharmaceutical industries as well as for reforestation and other plantings in urban landscapes. This is because of its protection of the soil from erosion and its dense evergreen foliage, making it an important plant in the greek flora. The focus of this thesis, which was carried out in the Department of Botany of the Faculty of Biology of the National and Kapodistrian University of Athens in collaboration with F.O.R.T.H., was to investigate the optical properties and ecophysiological parameters of carob leaves from different. Additionally, the aim was to find possible differences and to evaluate the long-term results. The ultimate goal was to study of leaf properties as a biomonitoring method for assessing the effect of air quality on plant organisms based on seasonal variations and developmental stages. Five different (more and less polluted) habitats were selected based on the existence of nearby air quality monitoring stations. Three shoots were collected from each site at the same time, with nine succesively grown compound leaves, along the shoots, with leaflets that were carefully marked (same age, same orientation towards sunlight). The accumulation of pigments, proline, total sugars, phenolic compounds, starch, and H2O2, as well as SLA in leaves of the urban habitat, regardless of the developmental stage, showed that they received statistically higher values than the leaves of the suburban site. Furthermore, the results indicated that low concentrations of NOx can have a positive effect as a nitrogen source in plants. Abiotic stress triggers the overproduction of active oxygen species (H2O2), and degradation mechanisms (scavenging of Reactive Oxygen Species) involve both enzymatic and non-enzymatic reactions, protecting cells from oxidative damage and thus explaining the high concentrations of H2O2, proline, carotenoids, and phenolic compounds in urban tissue plants. Likewise, the accumulation of MDA in leaves of suburban habitat may be related to the high concentration of ozone, which acts on lipid peroxidation through the enzyme reaction of lipoxygenase and is considered as indicator of lipid peroxidation of membrane lipids by UV radiation. Regarding seasonal variation, young leaves show greater accumulation of proline, carotenoids, phenolic compounds, H2O2 and MDA during periods of stress, while starch increases before the beginning of the vegetative period for possible hydrolysis and transfer of products to the receptor. Regarding the position of the leaves in the stem, pigment accumulation showed an upward trend from the 1st to the 4th leaf (starting from the top of the shoot) and then stabilized throughout the year defining the 4th leaf as a fully developed leaf. Leaf thickness, mesophyll thickness, and the ratio of palisade to mesophyll significantly increased in leaves grown in more polluted environments, as dense and compact mesophyll is usually an indication of continuous exposure of the plant to air pollution. However, the thickness of the adaxial, abaxial epidermis and the adaxial, abaxial periclinal walls of epidermal cells showed statistically significantly higher values in leaves from the suburban site. Thus, creating a hydrophobic layer that controls transpiration and acts as a filter to protect the plant from UV and IR radiation during periods of stress. Comparing structural leaf traits of mature and expanding leaves revealed that the young suburban leaves have taken more than 93 % of their final form. This significant finding implies that their growth and differentiation are completed in the shortest time frame when conditions are suitable. In relation to the light absorption near 1470 and 1900 nm, the water content of the leaves was estimated to be higher in leaves of the suburban site, regardless of the developmental stage. In addition, carob trees maintained their cell turgor pressure, especially during periods of water deficit, since they manage to complete leaf growth in a shorter time, than leaves in the urban environment. The plant seems to have adapted and shown tolerance to the polluted urban environment and also shown signs of coping with the environmental conditions. The carob tree also exhibited varying responses to different habitats, with respect to specific parameters. An attempt was made to correlate the results of the accumulation values of the physiological parameters with the concentrations of air pollutants (NOX, O3) in order to create an equation that would correlate these variables. The chlorophyll, starch, and phenolic compound concentration data were successfully fitted to the Michaelis-Menten equation describing enzyme kinetics. This convergence is justified by the fact that the plant responds to increased levels of pollutants, particularly atmospheric nitric oxides, by exhibiting a saturation effect. This method of estimating the accumulation of NO2 is of particular importance and usefulness because the evaluation of air quality by atmospheric methods has a small surface coverage and can therefore lead to erroneous conclusions. In sum, the laboratory determination of the concentrations of these compounds can provide an indication of air quality in a habitat, potentially making carob trees a significant biosensor for monitoring air pollution.

Τα μεσογειακά οικοσυστήματα που χαρακτηρίζονται από ήπιους βροχερούς χειμώνες τους οποίους διαδέχονται τα παρατεταμένα θερμά, άνυδρα και ηλιόλουστα καλοκαίρια, παρουσιάζουν ιδιόμορφη βλάστηση, στην οποία κυριαρχούν είδη αείφυλλων σκληρόφυλλων φυτών και φρυγάνων. Τα φυτά, αυτά, είναι προσαρμοσμένα στις περιβαλλοντικές πιέσεις, μέσω μηχανισμών, προκειμένου να αποφύγουν ή να μετριάσουν τις αρνητικές επιπτώσεις των ακραίων συνθηκών στα φύλλα τους. Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανθρώπινη δραστηριότητα προκάλεσε έντονη αλλαγή στην σύσταση της ατμόσφαιρας, επιφέροντας, έτσι, αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία και την ανάπτυξη των ζωντανών οργανισμών και των οικοσυστημάτων. Η επιτακτική ανάγκη παρακολούθησης και αξιολόγησης του τρόπου διαχείρισης των βιομηχανικών ζωνών με σκοπό τη μείωση του επιπέδου της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, οδήγησε στη βελτίωση και εξέλιξη των μεθόδων βιοπαρακολούθησης διαφορετικών βιοτόπων. Το φυτικό είδος Ceratonia siliqua (χαρουπιά) είναι ένα χαρακτηριστικό μεσογειακό φυτό, το οποίο διαθέτει προσαρμοστικούς μηχανισμούς που το καθιστούν ανθεκτικό σε συνθήκες ξηρασίας, αλατότητας, έλλειψης θρεπτικών και σε επιβαρυμένα με ρύπους περιβάλλοντα και, παράλληλα, δεν παρουσιάζει ιδιαίτερες απαιτήσεις σε εδαφικές συνθήκες και καλλιεργητική φροντίδα. Χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανίες τροφίμων, καλλυντικών, φαρμάκων καθώς και για αναδάσωση και άλλες φυτεύσεις στο αστικό τοπίο, λόγω της προστασίας που προσφέρει στο έδαφος από τη διάβρωση, και του αειθαλούς πυκνού φυλλώματος, καθιστώντας το ένα σημαντικό φυτό της ελληνικής χλωρίδας. Στόχος της διατριβής, η οποία εκπονήθηκε στον Τομέα Βοτανικής του Τμήματος Βιολογίας του Ε.Κ.Π.Α. σε συνεργασία με το Ι.Τ.Ε. στο Ηράκλειο της Κρήτης, ήταν η διερεύνηση των οπτικών ιδιοτήτων και των οικοφυσιολογικών παραμέτρων των φύλλων χαρουπιάς από διαφορετικά ενδιαιτήματα (εντός και εκτός του αστικού ιστού), για ανεύρεση πιθανών διαφορών τους και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Απώτερος σκοπός αυτής είναι η μελέτη των ιδιοτήτων των φύλλων, ως τρόπος βιοπαρακολούθησης (biomonitoring) για αξιολόγηση της επίδρασης της ποιότητας της ατμόσφαιρας, σε φυτικούς οργανισμούς με βάση την εποχιακή διακύμανση και το αναπτυξιακό στάδιο. Επιλέχθηκαν πέντε διαφορετικά ενδιαιτήματα, εντός και εκτός του αστικού ιστού με κριτήριο την ύπαρξη κοντινών σταθμών μέτρησης ρύπων. Συλλέχθηκαν τρεις βλαστοί, δένδρων από την κάθε περιοχή, την ίδια ώρα, με εννέα συνεχόμενα από την κορυφή, ακέραια σύνθετα φύλλα, με φυλλάρια, τα οποία είχαν επισημανθεί με προσοχή (ίδια ηλικία, ίδιος προσανατολισμός στο ηλιακό φως). Η μελέτη της συσσώρευσης των χρωστικών, της προλίνης, των ολικών σακχάρων, των φαινολικών ενώσεων, του αμύλου, του Η2Ο2, καθώς και η τιμή της SLA σε φύλλα δέντρων αστικού ιστού, ανεξάρτητα από το αναπτυξιακό στάδιο, έδειξε πως αυτές οι παράμετροι λαμβάνουν, στατιστικά, υψηλότερες τιμές, σε σχέση με τα φύλλα του περιαστικού τόπου, επισημαίνοντας πως χαμηλές συγκεντρώσεις ΝΟx μπορούν να επιδράσουν θετικά, ως πηγή αζώτου στα φυτά. Η αβιοτική καταπόνηση πυροδοτεί την υπερπαραγωγή των ενεργών μορφών οξυγόνου (Η2Ο2) και οι μηχανισμοί αποικοδόμησης (scavenging of Reactive Oxygen Species) περιλαμβάνουν τόσο ενζυμικές όσο και μη ενζυμικές αντιδράσεις, προστατεύοντας τα κύτταρα από οξειδωτικές βλάβες και ερμηνεύοντας με τον τρόπο αυτό τις υψηλές συγκεντρώσεις Η2Ο2, προλίνης, καροτενοειδών και φαινολικών ενώσεων στα φυτά του αστικού ιστού. Από την άλλη, η συσσώρευση του MDA στα φύλλα του περιαστικού ενδιαιτήματος ίσως σχετίζεται με την υψηλή συγκέντρωση όζοντος, που δρα στην υπεροξείδωση λιπιδίων μέσω της ενζυμικής αντίδρασης της λιποξυγενάσης και θεωρείται κατάλληλος δείκτης για τον υπολογισμό της υπεροξείδωσης των λιπιδίων της μεμβράνης από την υπεριώδη ακτινοβολία. Αναφορικά με την εποχική διακύμανση, τα νεαρά φύλλα εμφανίζουν μεγαλύτερη συσσώρευση προλίνης, καροτενοειδών, φαινολικών ενώσεων, Η2Ο2 και MDA σε περιόδους καταπόνησης, ενώ το άμυλο αυξάνεται πριν την έναρξη της βλαστητικής περιόδου για πιθανή υδρόλυση και μεταφορά προϊόντων στον αποδέκτη. Σχετικά με τη θέση των φύλλων στο βλαστό, η συσσώρευση των χρωστικών παρουσιάζει μια ανοδική τάση από το 1ο έως και το 4ο φύλλο (η αρίθμηση ξεκινά από το επάκριο μέρος του βλαστού) και σταθεροποίηση στη συνέχεια, καθ’ όλη τη διάρκεια του χρόνου, καθιστώντας το 4ο φύλλο ως ένα πλήρως ανεπτυγμένο φύλλο. Το πάχος του φύλλου, του μεσόφυλλου, καθώς και η αναλογία πασσαλώδους παρεγχύματος προς το μεσόφυλλο ήταν σημαντικά αυξημένη στα φύλλα που αναπτύχθηκαν σε πιο ρυπασμένα περιβάλλοντα, καθώς το πυκνό και συμπαγές μεσόφυλλο, αποτελεί, συνήθως, ένδειξη συνεχούς έκθεσης του φυτού στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Ωστόσο, το πάχος της προσαξονικής και απαξονικής επιδερμίδας καθώς και το άνω και κάτω περικλινές κυτταρικό τοίχωμα εμφανίζουν στατιστικά μεγαλύτερες τιμές στα φύλλα του περιαστικού τόπου, δημιουργώντας, έτσι, μια υδρόφοβη στρώση που ελέγχει διαπνοή και δρα σαν φίλτρο, προστατεύοντας το φυτό από την υπεριώδη και υπέρυθρη ακτινοβολία, σε περιόδους καταπόνησης. Συγκρίνοντας ανατομικά τα ώριμα με τα αναπτυσσόμενα φύλλα γίνεται αντιληπτό πως τα νεαρά φύλλα του περιαστικού ενδιαιτήματος έχουν δομήσει περισσότερο από 93% την τελική μορφομετρία τους, δίνοντας την εντύπωση πως η αύξηση και η διαφοροποίησή τους ολοκληρώνονται στο μικρότερο δυνατό χρονικό διάστημα, όσο οι συνθήκες είναι κατάλληλες. Η απορρόφηση του φωτός στην περιοχή των 1470 και 1900 nm που αντιστοιχεί στην υδατική περιεκτικότητα των φύλλων, βρέθηκε υψηλότερη στα φύλλα του περιαστικού τόπου, ανεξαρτήτως αναπτυξιακού σταδίου, καθώς η χαρουπιά διατηρεί τη σπαργή των κυττάρων της, ιδιαίτερα σε περιόδους υδατικού ελλείμματος, μιας και ολοκληρώνει την ανάπτυξη των φύλλων σε συντομότερο χρονικό διάστημα απ’ ό,τι τα φύλλα στο αστικό περιβάλλον. Το φυτό δείχνει να έχει προσαρμοστεί, να δείχνει ανοχή, στον επιβαρυμένο αστικό αστό και να αντεπεξέρχεται στις συνθήκες περιβάλλοντος, με διαφορετική απόκριση στα διαφορετικά ενδιαιτήματα, όσον αφορά τις συγκεκριμένους παραμέτρους. Έγινε προσπάθεια, συσχέτισης των αποτελεσμάτων των τιμών συσσώρευσης των φυσιολογικών παραμέτρων που μετρήθηκαν με τις συγκεντρώσεις των ατμοσφαιρικών ρύπων (ΝΟX, O3), με σκοπό τη δημιουργία εξίσωσης που θα συσχετίζει τις μεταβλητές αυτές. Τα δεδομένα της συγκέντρωσης χλωροφυλλών, αμύλου και φαινολικών ενώσεων, προσαρμόστηκαν επιτυχώς στην εξίσωση Michaelis-Menten που περιγράφει την κινητική των ενζύμων. Η συγκεκριμένη σύγκλιση δικαιολογείται από το γεγονός πως το φυτό αποκρίνεται στα αυξημένα επίπεδα ρύπων και συγκεκριμένα των οξειδίων του αζώτου της ατμόσφαιρας παρουσιάζοντας το φαινόμενο του κορεσμού. Η μέθοδος έχει ιδιαίτερη σημασία και χρησιμότητα, καθώς η μέτρηση των ρύπων με ατμοσφαιρικές μεθόδους έχει μικρή κάλυψη επιφάνειας και μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένα συμπεράσματα. Ο εργαστηριακός προσδιορισμός των συγκεντρώσεων των προαναφερθέντων ενώσεων μπορεί να αποτελέσει ένδειξη για την ατμοσφαιρική ρύπανση ενός ενδιαιτήματος καθιστώντας, πιθανώς, τη χαρουπιά χρήσιμη και ως βιοδείκτη.