Χημειοτυπικός προσδιορισμός, χωρική αποτύπωση και αξιολόγηση του παραγωγικού δυναμικού αρωματικών και φαρμακευτικών φυτών των γενών Origanum, Satureja και Coridothymus της νήσου Ικαρίας

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης ήταν ο χημειοτυπικός προσδιορισμός, η χωρική αποτύπωση και η αξιολόγηση του παραγωγικού δυναμικού αρωματικών και φαρμακευτικών φυτών, των γενών Origanum, Satureja και Coridothymus, της νήσου Ικαρίας. Σύμφωνα με τη μεθοδολογία της παρούσας διδακτορικής διατριβής διενεργήθηκαν τρεις εκτεταμένες ερευνητικές αποστολές για τα έτη 2008, 2009 και 2010 στη νήσο Ικαρία. Συλλέχθηκαν φυτικά δείγματα από τα είδη της οικογένειας Lamiaceae, Satureja thymbra L., Origanum onites L., Origanum vulgare ssp. hirtum (Link) Ietswaart (syn. O. hirtum Link) και Coridothymus capitatus (L.) Reichenb. fil.. Όλα τα φυτικά δείγματα συλλέχθηκαν κατά την πλήρη άνθιση και από τις ίδιες θέσεις κάθε έτος με τη βοήθεια του Παγκόσμιου Συστήματος Εντοπισμού Θέσης (GPS). Το 2008 δημιουργήθηκαν τριάντατέσσερις (34) σταθμοί δειγματοληψίας από όπου και συλλέχθηκαν τριάνταέξι (36) φυτικά δείγματα (4 S. thymbra, 7 O. onites, 12 O. hirtum και 13 C. capitatus). Το 2009 και το 2010 από εξήντατέσσερις (64) σταθμούς δειγματοληψίας συλλέχθηκαν εβδομήνταδύο (72) φυτικά δείγματα (20 S. thymbra, 18 O. onites, 16 O. hirtum και 18 C. capitatus). Στα δείγματα κάθε έτους έγινε προσδιορισμός της περιεκτικότητας των φυτών σε αιθέριο έλαιο (υδροαπόσταξη) και ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός των συστατικών του αιθέριου ελαίου τους με τη χρήση αέριας χρωματογραφίας και φασματομετρίας μαζών (GC/MS). Από κάθε σταθμό δειγματοληψίας ελήφθησαν εδαφικά δείγματα, τα οποία αναλύθηκαν ως προς τη μηχανική σύσταση, την οργανική ουσία, την ενεργότητα ιόντων υδρογόνου (pH), την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων (ΙΑΚ), το ολικό άζωτο (Ν), το ανθρακικό ασβέστιο (CaCO 3 ) και τα ανταλλάξιμα κατιόντα (K +, Na +, Ca). Οι συντεταγμένες (γεωγραφικό πλάτος και μήκος), το υψόμετρο, η έκθεση (προσανατολισμός) και οι εδαφικές ιδιότητες κάθε σταθμού δειγματοληψίας εισήχθησαν σε μια γεωγραφική βάση δεδομένων, χρησιμοποιώντας το εμπορικό λογισμικό πακέτο GIS ArcMap ver. 9.2. Στην ίδια βάση δεδομένων εισήχθηκαν επίσης τα δεδομένα των ποιοτικών και ποσοτικών χαρακτηριστικών του αιθέριου ελαίου των φυτών από όλους τους σταθμούς δειγματοληψίας. Ακολούθησε απεικόνιση της χωρικής κατανομής των υπό διερεύνηση ειδών στο νησί, καθώς επίσης και όλων των δεδομένων από τους προαναφερθέντες παράγοντες. Για τη διερεύνηση της προσαρμοστικότητας των αρωματικών και φαρμακευτικών φυτών στην αλλαγή των περιβαλλοντικών συνθηκών εγκαταστάθηκαν, το Νοέμβριο του 2008, δύο πειραματικοί αγροί, με οκτώ επιλεγμένους βιότυπους από τα τέσσερα υπό μελέτη είδη. O ένας πειραματικός αγρός εγκαταστάθηκε στην περιοχή Αρέθουσα της νήσου Ικαρίας και ο άλλος στον αγρό του ΓΠΑ στην Αθήνα. Η επιλογή των οκτώ βιοτύπων, δύο από κάθε είδος έγινε με βάση την περιεκτικότητα τους σε αιθέριο έλαιο και την περιεκτικότητα αυτού σε καρβακρόλη. Το φυτικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε προέκυψε από διαίρεση φυτών από τους επιλεγμένους αυτοφυείς βιότυπους και εγκαταστάθηκε στους πειραματικούς αγρούς με βάση το πειραματικό σχέδιο των τυχαιοποιημένων πλήρων ομάδων, με τρεις επαναλήψεις για κάθε βιότυπο. Το 2010 τα φυτά από κάθε πειραματικό αγρό συλλέχθηκαν κατά την πλήρη άνθιση τους σε κάθε περιοχή, λαμβάνοντας υπόψη τη διαφοροποίηση της εποχής ανθοφορίας ανά είδος και ανά περιοχή. Στη συνέχεια, τα δείγματα αναλύθηκαν ως προς την περιεκτικότητα του ελαίου τους και τη χημική σύσταση αυτού και συγκρίθηκαν με τους αυτοφυείς βιότυπους, από τους οποίους προήλθαν. Από τα δεδομένα προέκυψε ότι τα φυτά της O. hirtum εμφανίστηκαν συχνότερα σε περιοχές με βόρεια έκθεση, δηλαδή περιοχές με υψηλή σχετική υγρασία, μικρότερη έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία και με επικράτηση της τυπικής χλωρίδας της ηπειρωτικής Ελλάδας. Τα φυτά O. onites εντοπίστηκαν κυρίως σε περιοχές με ανατολική και δυτική έκθεση, δίχως καμία παρουσία σε περιοχές με βόρεια έκθεση. Παρόμοια συμπεριφορά παρουσίασαν και τα φυτά C. capitatus, ενώ τα φυτά S. thymbra εντοπίστηκαν σε περιοχές με όλες σχεδόν τις εκθέσεις, παρουσιάζοντας την τάση να εμφανίζονται συχνότερα σε περιοχές με νότια έκθεση. Ως προς τις εδαφικές απαιτήσεις τους, τα είδη της παρούσας μελέτης έδειξαν να προτιμούν τα αμμοπηλώδη και πηλοαμμώδη εδάφη, ενώ σπάνια εντοπίστηκαν σε βαριά εδάφη. Η εμφάνιση των ειδών φαίνεται να μην επηρεάστηκε από την οργανική ουσία και το ολικό άζωτο του εδάφους, καθώς όλα τα είδη εντοπίστηκαν σε περιοχές που χαρακτηρίζονταν από μεγάλο εύρος τιμών για τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Αντίθετα, το pH του εδάφους φαίνεται να ήταν καθοριστικό, καθώς όλα τα είδη εντοπίστηκαν σε περιοχές με ελαφρώς όξινα έως ουδέτερα εδάφη. Στα εδάφη των περιοχών όπου εντοπίστηκε η O. onites η μέση τιμή του pH (7,02) ήταν σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή των εδαφών όπου εντοπίστηκαν τα S. thymbra (6,74) και O. hirtum (6,69). Η μέση τιμή του pH για τα εδάφη που εντοπίστηκε το C. capitatus (6,94) ήταν σημαντικά μεγαλύτερη από τη μέση τιμή του pH των εδαφών που εντοπίστηκε η O. hirtum, ενώ δε διέφερε σημαντικά από τη μέση τιμή των εδαφών που εντοπίστηκαν τα δύο άλλα ειδή. Από τα ανταλλάξιμα κατιόντα μόνο το μαγνήσιο φαίνεται ότι έπαιξε κάποιο ρόλο στην εμφάνιση των ειδών, αφού όλα τα είδη έδειξαν να προτιμούν εδάφη με υψηλές περιεκτικότητες εδαφικού μαγνησίου. H μέση συγκέντρωση σε κάλιο (K) για τα εδάφη όπου εντοπίστηκε η O. hirtum ήταν σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή των εδαφών όπου εντοπίστηκαν τα υπόλοιπα είδη, τα οποία δε διέφεραν σημαντικά μεταξύ τους ως προς το παραπάνω χαρακτηριστικό. Επιπλέον, η O. hirtum έδειξε να προτιμά τα λιγότερο ασβεστούχα εδάφη, καθώς σύμφωνα με τα αποτελέσματα του ανταλλάξιμου ασβεστίου, η μέση συγκέντρωση του ασβεστίου (Ca) στα εδάφη των περιοχών όπου εντοπίστηκε η O. hirtum ήταν σημαντικά μικρότερη από αυτή των εδαφών των περιοχών όπου εντοπίστηκαν τα υπόλοιπα είδη, τα οποία δε διέφεραν σημαντικά μεταξύ τους ως προς το παραπάνω χαρακτηριστικό. Όσον αφορά στο ανθρακικό ασβέστιο, αυτό φάνηκε να επηρέασε μόνο την O. hirtum, η οποία έδειξε να προτιμά εδάφη φτωχά σε ανθρακικό ασβέστιο. Αξίζει να αναφερθεί ότι μετά τη χαρτογράφηση των παραπάνω δεδομένων προέκυψε ότι, όσον αφορά στην περιεκτικότητα του αιθέριου ελαίου των ειδών σε καρβακρόλη, στα είδη S. thymbra και O. onites η περιεκτικότητα του ελαίου σε καρβακρόλη ήταν μεγαλύτερη στα φυτά του νότιου τμήματος του νησιού σε σχέση με αυτά του βορείου τμήματος. Αντίθετα αποτελέσματα από αυτά της καρβακρολης παρουσιάστηκαν για την περιεκτικότητα του ελαίου σε γ-τερπινενίο και π-κυμένιο. Οι τιμές της εκατοστιαίας (%) περιεκτικότητας των ειδών της παρούσας μελέτης σε αιθέριο έλαιο ήταν από τις υψηλότερες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία και παρουσίασαν σταθερότητα, καθώς δε διαφοροποιήθηκαν σημαντικά από έτος σε έτος. Αξίζει να σημειωθεί η υπεροχή της O. hirtum σε σχέση με τα υπόλοιπα είδη όσον αφορά στην περιεκτικότητα σε αιθέριο έλαιο. Τα υπόλοιπα είδη κυμάνθηκαν στα ίδια επίπεδα περιεκτικότητας σε αιθέριο έλαιο, με το S. thymbra να παρουσιάζει μια μικρή υπεροχή. Κυρίαρχο συστατικό του αιθέριου ελαίου των τεσσάρων ειδών και τα τρία έτη ήταν η καρβακρόλη, ακολουθούμενη από το γτερπινένιο, το π-κυμένιο και το καρυοφυλλένιο, ενώ η ισομερής της θυμόλη δεν ανιχνεύτηκε καθόλου και σε κανένα είδος. Η εκατοστιαία (%) περιεκτικότητα των συστατικών του αιθέριου ελαίου κάθε είδους παρουσίασε σημαντικές διαφορές από έτος σε έτος. Αξίζει να σημειωθεί ότι η εκατοστιαία (%) περιεκτικότητα όλων των ειδών σε καρβακρόλη ήταν για όλα τα έτη πολύ υψηλή σε σχέση με τις τιμές που αναφέρονται στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, παρουσιάζοντας αξιοσημείωτη σταθερότητα. Επιπλέον, με βάση τη χημική ανάλυση, επιτεύχθηκε τόσο η χημειοταξινόμηση μεταξύ των ειδών και για τα τρία έτη, όσο και η ενδοειδική χημειοταξινόμηση μεταξύ των ετών. Η επίδραση των εδαφικών παραγόντων τόσο στην εκατοστιαία (%) περιεκτικότητα των ειδών σε αιθέριο έλαιο, όσο και στην εκατοστιαία (%) περιεκτικότητα των διάφορων συστατικών στο αιθέριο έλαιο, φαίνεται να ήταν μικρή, αλλά με εμφάνιση συνεργισμού μεταξύ των παραγόντων. Παρόμοια ήταν τα αποτελέσματα και για την επίδραση των κλιματικών παραμέτρων στην εκατοστιαία (%) περιεκτικότητα των ειδών σε αιθέριο έλαιο. Αντίθετα, η εκατοστιαία (%) περιεκτικότητα των κύριων συστατικών του αιθέριου ελαίου φαίνεται να επηρεάστηκε σε μεγάλο βαθμό από τις κλιματικές παραμέτρους. Συγκεκριμένα, το ποσοστό της καρβακρόλης σε όλα τα φυτά επηρεάστηκε θετικά από τη μέση θερμοκρασία του μήνα πριν τη συγκομιδή κάθε είδους και τη μέση θερμοκρασία των τριών τελευταίων μηνών πριν τη συγκομιδή κάθε είδους. Αντιθέτως, το ποσοστό της καρβακρόλης επηρεάστηκε αρνητικά από τη μέση σχετική υγρασία του μήνα πριν τη συγκομιδή κάθε είδους και από τη μέση σχετική υγρασία των τριών τελευταίων μηνών πριν τη συγκομιδή κάθε είδους. Τέλος, όλα τα υπό μελέτη είδη έδειξαν ισχυρή προσαρμοστικότητα υπό συνθήκες καλλιέργειας και στις δύο περιοχές (Αθήνα – Ικαρία), φανερώνοντας ότι ο γονότυπος καθορίζει περισσότερο, σε σχέση με το περιβάλλον, τη συμπεριφορά των συγκεκριμένων φυτών. Όλα τα είδη διατήρησαν τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά που είχαν ως αυτοφυή (υψηλή περιεκτικότητα σε αιθέριο έλαιο και υψηλή περιεκτικότητα ελαίου σε καρβακρόλη), φανερώνοντας έτσι τη μεγάλη αξία του φυτικού υλικού της νήσου Ικαρίας τόσο ως πολλαπλασιαστικού υλικού, όσο και για την περαιτέρω εκμετάλλευση του υπό συνθήκες εκτατικής καλλιέργειας.

The objective of the present study was the chemotypic determination, spatial distribution and evaluation of carvacrol rich species (genus Origanum, Satureja and Coridothymus) of Ikaria Island. Three extended scientific surveys in Ikaria Island were conducted for three successive years 2008, 2009, 2010. Samples were collected from species of the Lamiaceae family (Satureja thymbra L., Origanum onites L., Origanum vulgare ssp. hirtum (Link) Ietswaart (syn. O. hirtum Link), Coridothymus capitatus (L.) Reichenb. fil.). Plants were collected when their densities were more than 20% of the total vegetation coverage. Each year, all samples were collected during flowering stage and from the same sites by using Global Positioning System (GPS). In 2008, thirty six (36) samples (4 S. thymbra, 7 O. onites, 12 O. hirtum και 13 C. capitatus) were collected from thirty four (34) sampling stations. In 2009 and 2010, seventy two (72) samples (20 S. thymbra, 18 O. onites, 16 O. hirtum και 18 C. capitatus) were collected from sixty four (64) sampling stations. Each year, essential oil concentration of the four species was evaluated through hydrodistilation. Qualitative and quantitative analysis of the essential oil’s compounds was performed with GC-MS. Soil samples from each sampling station were collected in order to determine soil’s classification, organic matter, pH, cation exchange capacity (CEC), total Nitrogen (N), calcium carbonate (CaCO3) and extractable cations (K+, Na). Geographical coordinates (longitude and latitude), altitude, exposure to sunlight and soil properties of the sampling stations were imported into a geographical database using the commercial package GIS ArcMap ver. 9.2. Qualitative and quantitative characteristics of the essential oil from plants of each station were imported also in the geographical base. Maps of the distribution of the four species and of the above mentioned characteristics were also produced. In order to evaluate the adaptation of the species in different environments two experimental fields, with eight selected biotypes from all four studied species, were created in November 2008. Οne experimental field was created in Arethousa territory of Ikaria island and the other in the Laboratory of Agronomy in Athens. The eight wild biotypes (two from each species), which were selected based on essential oil concentration and its carvacrol content, were used for creating the plantations. Plants used for the two plantations occurred from the separation of plants from the selected wild biotypes. Randomized complete block design with three replicants for each biotype was used in the two experimental fields. Plants from the fields were collected in 2010 during flowering stage and were analyzed for oil concentration and oil chemical composition. According to the data O. hirtum plants were located in territories with north exposure, which are characterized by the typical flora of the Greek mainland, high relative humidity and less sunshine. In O. onites, plants were located mainly in territories with east and west exposure and had no presence in territories with north one. Similar behavior was exhibited by C. capitatus plants, while S. thymbra plants were located in territories with all kinds of exposure exhibiting a small preference to those with a south one. All species seemed to prefer sandyloam and loamsandy soils and were rarely located in territories with heavy soils. Organic matter and total nitrogen did not seem to have any effect on species occurrence, as all species were found in territories with a wide range of the above mentioned soil parameters. On the other hand, pH played an important role in species occurrence as all species preferred acid to neutral soils. It has to be mentioned that average pH value in soils where O. onites occurred (7,02) was significantly higher than those of soils where S. thymbra (6,74) and O. hirtum (6,69) occurred. Among extractable cations, only magnesium (Mg) seems to have affected the occurrence of the studied species as they were all found in soils with high Mg concentrations. Concerning potassium (K) concentration, O. hirtum occurred in soils with significantly higher mean value in relation to the other species. Moreover, O. hirtum seemed to prefer less calcareous soils as it occurred in soils with significantly lower mean values of extractable calcium. Additionally, O. hirtum plants showed a preference to soils poor in calcium carbonate. Mapping of essential oils quantitative characteristics revealed that in S. thymbra and O. onites, carvacrol content was higher in plants that occurred in the south part of the island. Opposite results were observed for γ-terpinene and π-cymene content. Essential oil mean concentration for all the studied species during the three years of experimentation was higher than those stated in the literature without significant differences from year to year. The superiority of O. hirtum in essential oil concentration against all other species is noticeable. The other studied species presented similar values of essential oil concentration. Major component of the essential oil of all species was carvacrol followed by γ-terpinene, π-cymene and caryofyllene, while carvacrol’s isomer, thymol, was not detected at all. Essential oil content of all species varied significantly among the years. The high values of carvacrol content in all studied species during the three years of experimentation according to present literature have to be mentioned. Moreover, based on chemical analysis, chemotaxonomy of species for all three years and intraspecific chemotaxonomy per year was accomplished successfully. Soil factors’ effect on essential oil concentration and on the concentration of the chemical compound was insignificant and rather synergistic. Similar results were obtained for the effect of climatic factors on species essential oil concentration. On the contrary, the concentration of the essential oil’s chemical compounds seemed to be affected significantly by the climatic conditions. Particularly, carvacrol content in all species was affected positively by mean temperature during the month before harvesting and by mean temperature during the last three months before harvesting. Adversely, carvacrol was affected negatively by mean relative humidity during the month before harvesting and by mean relative humidity during the last three months before harvesting. Finally, all species seemed to have adjusted well under field condition in both experimental fields in Athens and in Ikaria, maintaining the quantitative and qualitative characteristics of their essential oil (high oil concentration and high carvacrol content). This points that the genotype’s contribution on plants behavior was greater than that of the environmental factors. This study indicates the value of the aromatic and medicinal plant material, originated from Ikaria island, for breeding processes in order for a valuable propagation material for cultivation use to be produced.