Μελέτη πληθυσμών Salvia fruticosa Mill. και Salvia pomifera L. της Πελοποννήσου ως προς τη χημική σύσταση των αιθέριων ελαίων: διάκριση και ταυτοποίηση των πληθυσμών με χρήση μοριακών δεικτών και εκτίμηση παραγωγικών δυνατοτήτων επιλεγμένων καλλιεργειών (ή κλώνων) για καθορισμό βελτιωτικών στόχων

Abstract

Sage has been used since antiquity as a herb tea, but also in traditional medicine. Nowadays, it also used in aroma-, food-, feed-, cosmetic- and medicinal industry. The species with the broader distribution in Greece is S. fruticosa (Greek sage), while in lesser and narrower distribution are also found S. officinalis (Dalmatian sage) in the Heperus and το S. pomifera (Cretan or bitter sage) in the Peloponnese, Crete and the Aegean islands. For the purposes of the present work ten populations of S. fruticosa and five populations of S. pomifera from the Peloponnese were studied, regarding their morphological traits and their essential oil and their genetic relationships and distances were evaluated by the means of the molecular markers trnH-psbA, ITS and nine microsatellite markers (SoUZ003, SoUZ005, SoUZ006, SoUZ007, SoUZ009, SoUZ013, SoUZ014, SoUZ016, SoUZ020). All characters as well as the genetic analysis were performed at individual level at 149 individuals of the 15 populations. The influence of the year, season, and plant part on essential oil was also assessed. Moreover, 126 clones of the original plants were successfully created and planted in the Botanical garden of the University of Patras and consequently studied regarding their growth traits and their yield in biomass and essential oil properties. It was found that high variability existed both within and among populations of both species, which was imprinted as much in the yield and the composition of the essential oil, as in the morphological traits and the genotyping with the microsatellite markers of the populations’ individuals. This variability of the morphological traits did not allow the discrimination of S. fruticosa populations, while it was more successful in discriminating the S. pomifera ones, placing 96% of the samples to their population of origin. On the contrary, the genetic variability found using the microsatellite markers, was able to distinguish the most geographically distant populations of S. fruticosa, while it had less discriminating ability among the S. pomifera ones, which are anyway located in shorter distances than the other species’. While essential oil yield was found to be influenced by the stage of leaf development and essential oil composition by the environmental conditions, they both exhibited consistency when these parameters where taken under consideration, suggesting the genetic basis driving the expression of these traits. Moreover, the use of the essential oil composition made it possible for most of the individuals to be assigned to their population of origin (S. fruticosa 87%, S. pomifera 98%). Among the different variables a medium correlation was found between the chemical (essential oil) and the molecular distances, which was significant for S. fruticosa and which also implies that searching for more specific molecular markers, located close to the genes that regulate the production of targeted essential oil components, will assist selection aiming at particular components. The establishment of the clones in the Botanical garden led, through irrigation and pruning, in an increase of the essential oil yield in the summer, while in both species EO composition showed an increase in monoterpenes and a decrease in sesquiterpenes. On the contrary, the contribution of the basic component of each species (1,8-cineole, β-thujone) remained constant, as did the discrimination among the individuals and the populations, due to the parallel change of all components’ contribution towards the same direction. In the cultivation a change was found in the clones’ bloom start date, following the adjustment to the new altitude and longitude of the cultivation area. In their common environment in the Botanical garden two distinct groups were formed with 15-20 days difference in the start of the bloom. Differences were also found in the growth model of the clones of different origin, with best biomass results achieved from the clones of S. fruticosa populations from Achaia and Korinthia (>3800 kg/ha) and the clones of S. pomifera populations from Arcadia (>1900 kg/ha). As a whole, the summary of this work is that S. fruticosa and S. pomifera populations of the Peloponnese are under no threat as they show high variability in all measured traits within and among populations. This variability is the basis of selection and breeding aiming in producing plant material with several different applications.

Το φασκόμηλο χρησιμοποιείται από την αρχαιότητα ως αφέψημα, αλλά και για τις φαρμακευτικές του ιδιότητες στην παραδοσιακή ιατρική. Στη σύγχρονη εποχή χρησιμοποιείται επίσης στην αρωματοποιία, τη συντήρηση τροφίμων, τα καλλυντικά και τη φαρμακευτική βιομηχανία. Το πιο ευρέως εξαπλωμένο είδος φασκόμηλου στην Ελλάδα είναι το S. fruticosa, κοινώς ελληνικό φασκόμηλο, ενώ σε μικρότερη και πιο περιορισμένη έκταση απαντούν το S. officinalis (δαλματικό φασκόμηλο) στην Ήπειρο και το S. pomifera (κρητικό ή πικρό φασκόμηλο) στην Πελοπόννησο, την Κρήτη και τα νησιά του Αιγαίου. Για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας μελετήθηκαν δέκα πληθυσμοί S. fruticosa Mill. και πέντε πληθυσμοί S. pomifera L. της Πελοποννήσου, ως προς τα μορφολογικά χαρακτηριστικά και το αιθέριο έλαιό τους και προσδιορίσθηκαν οι γενετικές σχέσεις και αποστάσεις τους με τη βοήθεια των μοριακών δεικτών trnH-psbA, ITS και εννέα μικροδορυφoρικών δεικτών (SoUZ003, SoUZ005, SoUZ006, SoUZ007, SoUZ009, SoUZ013, SoUZ014, SoUZ016, SoUZ020). Η εκτίμηση όλων των χαρακτήρων και η γενετική ανάλυση ξεκίνησαν από το επίπεδο του ατόμου, σε σύνολο 149 ατόμων στους 15 πληθυσμούς. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση στο αιθέριο έλαιο του έτους, της εποχής και του μέρους του φυτού. Επιπλέον, 126 κλώνοι των φυτών που μελετήθηκαν στη Φύση μεταφέρθηκαν επιτυχώς σε καλλιέργεια στο Βοτανικό κήπο του Πανεπιστημίου Πατρών και μελετήθηκαν ως προς την αύξηση, την ανάπτυξή και την απόδοσή τους σε βιομάζα και σε αιθέριο έλαιο. Διαπιστώθηκε ότι υπάρχει μεγάλη παραλλακτικότητα τόσο εντός, όσο και μεταξύ των πληθυσμών και των δύο ειδών, η οποία αποτυπώθηκε τόσο στην απόδοση και τη σύσταση του αιθέριου ελαίου, όσο και στα μορφολογικά χαρακτηριστικά και τη γονοτύπηση, με τους μικροδορυφορικούς μοριακούς δείκτες, των ατόμων των πληθυσμών. Η παραλλακτικότητα αυτή των μορφολογικών χαρακτηριστικών που αποδίδεται στη μεγάλη πλαστικότητα τους, δεν επέτρεψε τη διάκριση των πληθυσμών στο S. fruticosa, ενώ ήταν πιο επιτυχής στη διάκριση των πληθυσμών του S. pomifera, τοποθετώντας επιτυχώς το 96% των δειγμάτων στον πληθυσμό προέλευσής τους. Αντίθετα, η γενετική παραλλακτικότητα, που επιδείχτηκε με τη χρήση των μικροδορυφορικών δεικτών, παρείχε τη δυνατότητα διάκρισης των πιο απομονωμένων μεταξύ τους πληθυσμών του S. fruticosa, ενώ δεν πέτυχε διάκριση μεταξύ των πληθυσμών του S. pomifera, οι οποίοι άλλωστε βρίσκονται και σε πιο κοντινές αποστάσεις. Η απόδοση του αιθέριου ελαίου φάνηκε ότι επηρεάζεται από το στάδιο ανάπτυξης των φύλλων και η ποσοτική σύσταση του από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Όταν αυτοί οι παράγοντες διατηρήθηκαν σταθεροί, τα χαρακτηριστικά αυτά του αιθέριου ελαίου παρουσίασαν σταθερότητα, τόσο σε επίπεδο πληθυσμών, όσο και ατόμων, υποδηλώνοντας τη γενετική βάση τους. Η χρήση της ποσοτικής σύστασης του αιθέριου ελαίου έδωσε τη δυνατότητα αντιστοίχισης του μεγαλύτερου ποσοστού των ατόμων στον πληθυσμό προέλευσής τους (S. fruticosa 87%, S. pomifera 98%). Μεταξύ των διαφορετικού τύπου μεταβλητών βρέθηκε μέτρια συσχέτιση των μοριακών με τις χημικές (αιθέριο έλαιο), που ήταν σημαντική στο S. fruticosa, και υποδεικνύει ότι η εύρεση μοριακών δεικτών, πιο στενά συνδεδεμένων με τα γονίδια που ρυθμίζουν την παραγωγή των συστατικών στόχων, θα βοηθήσει την επιλογή με στόχο συγκεκριμένα πτητικά συστατικά. Η εγκατάσταση των κλώνων στο Βοτανικό οδήγησε, μέσω των καλλιεργητικών εργασιών του ποτίσματος και του κλαδέματος, σε αύξηση της απόδοσης του αιθέριου ελαίου το καλοκαίρι, ενώ και στα δύο είδη στην ποσοτική σύσταση του αιθέριου ελαίου φάνηκε τάση αύξησης των μονοτερπενίων και μείωσης των σεσκιτερπενίων. Αντιθέτως, η ποσοστιαία αναλογία του βασικού συστατικού του κάθε είδους (ευκαλυπτόλη, β- θουγιόνη) παρέμεινε σταθερή, όπως και η διαφοροποίηση των ατόμων και των πληθυσμών μια που οι μεταβολές κινήθηκαν προς την ίδια κατεύθυνση σε όλα τα άτομα. Μεταβολή καταγράφηκε κατά την καλλιέργεια και στην ημερομηνία έναρξης της ανθοφορίας των κλώνων, ως προσαρμογή στη μεταβολή του υψομέτρου και του γεωγραφικού πλάτους σε σχέση με την τοποθεσία προέλευσής τους. Στο κοινό τους περιβάλλον στο Βοτανικό διακρίθηκαν δύο ομάδες με 15-20 ημέρες διαφορά στην έναρξη ανθοφορίας. Διαφορές καταγράφηκαν και στο μοντέλο αύξησης των κλώνων διαφορετικής προέλευσης, με την καλύτερη απόδοση σε βιομάζα να επιτυγχάνεται για το S. fruticosa από τους κλώνους πληθυσμών της Αχαΐας και της Κορινθίας (>380 kg/στρ) και για το S. pomifera από κλώνους πληθυσμών της Αρκαδίας (>190 kg/στρ). Συνολικά τα αποτελέσματα της εργασίας υποδηλώνουν ότι οι πληθυσμοί δεν κινδυνεύουν από φαινόμενα απομόνωσης μια που παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλότητα σε όλα τα χαρακτηριστικά που μελετήθηκαν τόσο εντός, όσο και μεταξύ των πληθυσμών. Η ποικιλότητα δε αυτή είναι η βάση για την επιλογή και βελτίωση με στόχο τη δημιουργία πολλαπλασιαστικού υλικού με ποικίλες εφαρμογές.