Συγκριτική μελέτη καλλιέργειας ποικιλιών του φυτού Calendula officinalis και διερεύνηση δράσης μικροβιώματος (μύκητας FsK)

Abstract

The thesis focuses on the phenological development, yield, and quality assessment of medicinal calendula (Calendula officinalis L.) under different cultivation environments. The research was conducted along three main experimental axes: (a) a three-year field cultivation (2022, 2023, 2024) of three commercial varieties (Orange King, Erfurter Orangefarbige, Golden Emperor) under variable environmental conditions, including extreme weather events, (b) investigation of the interaction with the endophytic fungus Fusarium solani strain K (FsK) in greenhouse systems of open and closed type, and (c) chemical analysis of the essential oil using gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS)The results of the field study demonstrate significant differences among the varieties in terms of earliness, productivity, and adaptability. Golden Emperor showed the shortest period to the onset of flowering (≈52–54 days) but low overall productivity (≈75 g fresh flower weight/plant) and rapid decline. Erfurter Orangefarbige exhibited the highest number of flowers per plant, with peak production in September (≈30 flowers/plant), demonstrating sensitivity to autumn extreme events. Orange King emerged as a balanced variety, combining high productivity (≈169 g fresh flower weight/plant), an extended floral diameter (≈30 cm), consistently high floral quality traits (≈2.4 g fresh weight/flower, ≈7 cm flower diameter), and superior adaptability. The essential oil analysis led to the identification of 78 compounds, with the main constituents being α-Cadinol (≈25%), epi-α-Cadinol (≈13%), δ-Cadinene (≈11%), and γ-Cadinene (≈7%). Orange King consistently showed higher levels of α-Cadinol (≈28%), whereas Golden Emperor exhibited increased levels of δ-Cadinene (≈14%) and γ-Cadinene (≈8%). The chemical profile of the essential oil remained stable without seasonal variations, indicating strong genetic control over sesquiterpene biosynthesis. However, some differences were observed in the hydrocarbon-to-oxygenated derivative ratio among cultivation environments, with the closed-type greenhouse promoting oxidative conversion towards α-Cadinol (≈43%). The investigation of the interaction with strain FsK did not confirm endophytic colonization in calendula by the fungus, despite the observation of temporary phenotypic alterations in inoculated plants mainly during the early flowering months (July–September) in both open- and closed-type greenhouse systems. The comparative evaluation of cultivation environments revealed that field cultivation maximizes total production (≈75–169 g fresh flower weight/plant) due to unrestricted root space and natural solar radiation, whereas greenhouse systems provide increased control and stability. Orange King maintained high quality traits (≈2.23 g fresh weight/flower) even under limited root volume conditions (1,4 L), making it particularly suitable for cultivation systems where production quality is prioritized. Overall, the present study provides an evidence-based framework for the selection of varieties and the design of cultivation practices for calendula under conditions of climatic uncertainty, highlighting the importance of exploiting the adaptive capacity of the species to optimize cultivation and ensure stable quality and yield.

Η διατριβή εστιάζει στη φαινολογική ανάπτυξη, την απόδοση και την ποιοτική αξιολόγηση της φαρμακευτικής καλέντουλας (Calendula officinalis L.) υπό διαφορετικά καλλιεργητικά περιβάλλοντα. Η έρευνα διεξήχθη σε τρεις κύριους πειραματικούς άξονες: α) τριετής υπαίθρια καλλιέργεια (2022, 2023, 2024) τριών εμπορικών ποικιλιών (Orange King, Erfurter Orangefarbige, Golden Emperor) υπό μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων ακραίων καιρικών φαινομένων, β) διερεύνηση της αλληλεπίδρασης με τον ενδοφυτικό μύκητα Fusarium solani στέλεχος Κ (FsK) σε θερμοκηπιακά συστήματα ανοιχτού και κλειστού τύπου, και γ) χημική ανάλυση του αιθέριου ελαίου μέσω αέριας χρωματογραφίας–φασματομετρίας μάζας (GC-MS).Τα αποτελέσματα της υπαίθριας μελέτης καταδεικνύουν σημαντική διαφοροποίηση μεταξύ των ποικιλιών ως προς την πρωιμότητα, την παραγωγικότητα και τη προσαρμοστικότητα. Η Golden Emperor παρουσίασε τη συντομότερη περίοδο μέχρι την έναρξη ανθοφορίας (≈52-54 ημέρες) αλλά χαμηλή συνολική παραγωγικότητα (≈75 g νωπού βάρους ανθέων/φυτό) και ταχεία παρακμή. Η Erfurter Orangefarbige εμφάνισε τη μέγιστη αναλογία ανθέων ανά φυτό με κορύφωση παραγωγής τον Σεπτέμβριο (≈30 άνθη/φυτό), αποδεικνύοντας ευαισθησία σε φθινοπωρινά ακραία γεγονότα. Η Orange King αναδείχθηκε ως ισορροπημένη ποικιλία, συνδυάζοντας υψηλή παραγωγικότητα (≈169 g νωπού βάρους ανθέων/φυτό), εκτεταμένο ανθικό ορίζοντα (≈30 cm), σταθερά υψηλά ποιοτικά χαρακτηριστικά ανθέων (≈2,4 g νωπό βάρος/ άνθος, ≈7 cm διάμετρο άνθους) και καλύτερη προσαρμοστικότητα.Η ανάλυση του αιθέριου ελαίου οδήγησε στην ταυτοποίηση 78 ενώσεων, με κυρίαρχα συστατικά το α-Cadinol (≈25%), το epi-α-Cadinol (≈13%), το δ-Cadinene (≈11%) και το γ-Cadinene (≈7%). Η Orange King παρουσίασε σταθερά υψηλότερα ποσοστά α-Cadinol (≈28%, ενώ η Golden Emperor αυξημένα επίπεδα δ-Cadinene (≈14%) και γ-Cadinene (≈8%). Η χημική ταυτότητα του αιθέριου ελαίου παρέμεινε σταθερή χωρίς εποχιακές διακυμάνσεις, υποδεικνύοντας ισχυρό γενετικό έλεγχο της βιοσύνθεσης των σεσκιτερπενίων. Παρατηρήθηκαν ωστόσο κάποιες διαφορές στην αναλογία υδρογονανθράκων προς οξυγονωμένα παράγωγα μεταξύ των καλλιεργητικών περιβαλλόντων, με το θερμοκήπιο κλειστού τύπου να προωθεί την οξειδωτική μετατροπή προς α-Cadinol (≈43%).Η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης με το στέλεχος FsK δεν επιβεβαίωσε την αποικισμό του μύκητα ενδοφυτικά στην καλέντουλα, παρά την παρατήρηση παροδικών φαινοτυπικών τροποποιήσεων στα εμβολιασμένα φυτά κυρίως κατά τους πρώτους μήνες ανθοφορίας (Ιούλιο-Σεπτέμβριος) τόσο στο θερμοκήπιο ανοιχτού τύπου όσο και στο θερμοκήπιο κλειστού τύπου. Η συγκριτική αξιολόγηση των καλλιεργητικών περιβαλλόντων αποκάλυψε ότι η υπαίθρια καλλιέργεια μεγιστοποιεί τη συνολική παραγωγή (≈75-169 g νωπού βάρους ανθέων/φυτό) λόγω του απεριόριστου ριζικού χώρου και της φυσικής ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα θερμοκηπιακά συστήματα προσφέρουν αυξημένο έλεγχο και σταθερότητα. Η Orange King διατήρησε υψηλά ποιοτικά χαρακτηριστικά (≈2,23 g νωπό βάρος/άνθος) ακόμη και υπό συνθήκες περιορισμένου ριζικού όγκου (1,4 L), καθιστώντας την ιδιαίτερα κατάλληλη για συστήματα καλλιέργειας όπου προτεραιότητα αποτελεί η ποιότητα της παραγωγής. Συνολικά, η παρούσα έρευνα παρέχει επιστημονικά τεκμηριωμένο πλαίσιο για την επιλογή ποικιλιών και τον σχεδιασμό καλλιεργητικών πρακτικών της καλέντουλας υπό συνθήκες κλιματικής αβεβαιότητας, αναδεικνύοντας τη σημασία της αξιοποίησης της προσαρμοστικής ικανότητας του είδους για τη βελτιστοποίηση της καλλιέργειας και τη διασφάλιση σταθερής ποιότητας και απόδοσης.