Μεταβολομική ανάλυση στη συστημική βιολογία: προσδιορισμός χαρακτηριστικών βιομοριακών προτύπων και σχεδιασμός συστηματικών διαδικασιών διαχείρισης της περιβαλλοντικής καταπόνησης σε υδροπονικές καλλιέργειες φυτών υπό κάλυψη

Abstract

Nowadays, the use of modern greenhouses combined with hydroponics has reduced the impact of environmental factors on crops and has increased productivity and crop quality. However, irrigation water quality is a problem that affects even hydroponic greenhouse crops. High water salinity is a major abiotic stress and a substantial constraint for crop production worldwide that can reduce crop quantity and quality. The aim of this thesis was to study the effect of salinity on tomato leaf metabolism, which is the most dynamic level of cellular function, and to investigate the alleviating potential of elevated CO2 on the plant environment. In this thesis, the metabolomic analysis results are presented from four time series experiments, in which high salinity and elevated CO2 perturbations were applied for five days continuously either individually or in combination on the Solanum lycopersicum cultivar Elpida in the controlled environment of a large-scale growth chamber and in a production scale green house. The metabolic profiles of the leaves harvested daily were acquired using GC-MS and LC-MS. The combination of the two methods allowed the quantification of metabolites from different chemical classes and the coverage of a great part of the tomato metabolic network, which would not have been possible using only one method. The effect of salinity on the metabolic physiology of tomato leaves is evident from day one in both the growth chamber and greenhouse experiments. Specifically, there was an increase in the concentration of the amino acid proline, which is a known osmolyte, and changes in the concentration of sugars, acids, amino acids and sugar polyols. Also, the alleviating effect of the elevated CO2 on salinity stress was confirmed. This is probably due to an abundance of nutrients to cope with the stress. In addition, it was observed that the season has a great effect on the metabolic physiology of tomato leaves, in terms of greenhouse crops, but also the day of collection of the sample which reflects the growth of the plants. Metabolomic analysis provided insights into the response of tomato leaves to salinity and the beneficial effect of elevated CO2. This insights could assist to identify biomarkers for salinity stress and devise methods for better crop management.

Τα τελευταία χρόνια η χρήση θερμοκηπίων σε συνδυασμό με την υδροπονία έχει μειώσει σημαντικά την επίδραση του περιβάλλοντος στις καλλιέργειες και έχει οδηγήσει σε αυξημένη παραγωγικότητα και σταθερή ποιότητα προϊόντων. Ωστόσο η ποιότητα του νερού άρδευσης είναι ένα πρόβλημα που επηρεάζει ακόμα και τις υδροπονικές θερμοκηπιακές καλλιέργειες. Ένας σημαντικός παράγοντας για την ποιότητα του νερού είναι η αλατότητα του, που επηρεάζει την φυσιολογία των φυτών και μπορεί να οδηγήσει σε μείωση στην ποσότητα της παραγωγής και την ποιότητα των αγροτικών προϊόντων. Στόχος αυτής της διατριβής ήταν η μελέτη της επίδρασης της αλατότητας στο μεταβολισμό, που είναι το πλέον δυναμικό επίπεδο κυτταρικής λειτουργίας, φύλλων ντομάτας και η διερεύνηση της πιθανής ευεργετικής επίδρασης της αύξησης του CO2 στο περιβάλλον των φυτών. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν τέσσερα πειράματα χρονοσειράς στα οποία εφαρμόστηκε για πέντε μέρες αυξημένη αλατότητα στο θρεπτικό υλικό και εμπλουτισμός με CO2, είτε μεμονωμένα είτε σε συνδυασμό, σε φυτά ντομάτας (Solanum lycopersicum ποικιλία Elpida) που καλλιεργήθηκαν υδροπονικά σε ελεγχόμενο θάλαμο ανάπτυξης και σε εμπορικό θερμοκήπιο. Τα μεταβολικά πρότυπα των φύλλων που συλλέχθηκαν τις πέντε μέρες των πειραμάτων ανακτήθηκαν με GC-MS και LC-MS. Ο συνδυασμός των δυο τεχνικών επέτρεψε την ποσοτικοποίηση μεταβολιτών από διαφορετικές χημικές κατηγορίες και την κάλυψη μεγάλου τμήματος του μεταβολικού δικτύου ντομάτας κάτι που δεν ήταν εφικτό χρησιμοποιώντας μόνο μια μέθοδο. Η επίδραση της αλατότητας στη μεταβολική φυσιολογία των φύλλων ντομάτας είναι εμφανής από την πρώτη μέρα εφαρμογής της τόσο στην καλλιέργεια σε θάλαμο ανάπτυξης όσο και σε θερμοκήπιο παραγωγής. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε αύξηση στη συγκέντρωση του αμινοξέος προλίνη, που είναι γνωστό ότι δρα ως οσμολύτης, και αλλαγές στη συγκέντρωση σακχάρων, οργανικών οξέων, αμινοξέων και πολυολών. Επίσης επιβεβαιώθηκε η ευεργετική επίδραση του εμπλουτισμού με CO2 στο θάλαμο ανάπτυξης των φυτών στη καταπόνηση λόγω αλατότητας που μάλλον οφείλεται στην αφθονία πόρων για την αντιμετώπιση του στρες. Επιπλέον παρατηρήθηκε ότι μεγάλη επίδραση στη μεταβολική φυσιολογία των φύλλων ντομάτας έχει η εποχή, όσον αφορά τις θερμοκηπιακές καλλιέργειες, αλλά και η ημέρα συλλογής του δείγματος που αντικατοπτρίζει την ανάπτυξη των φυτών. Η μεταβολομική ανάλυση προσέφερε γνώσεις για την απόκριση των φύλλων ντομάτας στην καταπόνηση λόγω αλατότητας και για την ευεργετική επίδραση του εμπλουτισμού με CO2. Οι γνώσεις αυτές θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη μεθόδων για την παρακολούθηση φυτικών καλλιεργειών με σκοπό τη έγκαιρη διάγνωση του στρες λόγω αλατότητας.