Επίδρασης αλατότητας και λίπανσης σε καλλιέργεια Τριγωνέλλας (Trigonella foenum-graecum L., Fabaceae)

Abstract

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής διατριβής είναι η συλλογή και επεξεργασία όλων εκείνων των χαρακτηριστικών της καλλιέργειας τριγωνέλλας κάτω από ποικίλες συνθήκες λίπανσης και αλατότητας. Η τριγωνέλλα είναι ένα βότανο με μακραίωνη ιστορία στην παραδοσιακή ιατρική και έχει χρησιμοποιηθεί ποικιλοτρόπως σε διαφορετικές κουλτούρες για τη θεραπεία πληθώρας παθήσεων. Η καλλιέργεια της τριγωνέλλας παρουσιάζει επιστημονικό ενδιαφέρον λόγω της ανθεκτικότητας και των διατροφικών της ιδιοτήτων. Στην παρούσα έρευνα, ένα πείραμα αγρού εγκαταστάθηκε στο Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών κατά τη χρονική περίοδο 2018-2021, σε ένα σχέδιο split-splot με τις 2 κύριες επεμβάσεις αλατότητας (Υψηλή αλατότητα- HS & Συμβατική αλατότητα- CS) και 5 μεταχειρίσεις λίπανσης (βιοκυκλική-βίγκαν (BHS), κοπριά (FYM), κομπόστ (COMP), ανόργανη λίπανση (11-15-15) και ο μάρτυρας (C). Σκοπός των πειραμάτων ήταν να μελετηθούν τυχόν γονοτυπικές διαφορές ως προς τα αγρονομικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά, τις φυσικές ιδιότητες του εδάφους, το ριζικό σύστημα του φυτού, την ποιότητά του ως ζωοτροφή και τη μεταβολομική τους ανταπόκριση στις προαναφερόμενες πειραματικές επεμβάσεις. H ανάπτυξη και η απόδοση των φυτών τριγωνέλλας έδειξαν ότι η λίπανση είχε σημαντικό θετικό αντίκτυπο στο ύψος των φυτών, με τη μέση τιμή να κυμαίνεται από 34 έως 75 εκατοστά κατά τη διάρκεια των τριών χρονιών του πειράματος. Η υψηλή αλατότητα μείωσε τον αριθμό των βλαστών, ενώ η βιολογική λίπανση αύξησε τον αριθμό των φύλλων. Επιπλέον, οι δείκτες ανάπτυξης όπως ο AGR (Absolute Growth Rate) και ο NAR (Net Assimilation Rate) επηρεάστηκαν από τη λίπανση, με τις βιολογικές λιπάνσεις να εμφανίζουν υψηλότερες τιμές στον AGR. Οι βιολογικές λιπάνσεις προώθησαν επίσης την ανάπτυξη των φύλλων και τη φωτοσύνθεση, ενισχύοντας τους δείκτες LA (Leaf Area) και LAR (Leaf Area Ratio). Η αλληλεπίδραση μεταξύ λίπανσης και αλατότητας επηρέασε τον RGR (Relative Growth Rate), ενώ οι δείκτες LAI (Leaf Area Index) και LAD (Leaf Area Duration) βελτιώθηκαν με τη λίπανση, επιδεικνύοντας μακροπρόθεσμα οφέλη από την βιολογική λίπανση. Η απόδοση των φυτών σε βιομάζα και η παραγωγή σπόρων ενισχύθηκαν σημαντικά από τη βιολογική λίπανση, αναδεικνύοντας τα οφέλη από την χρήση βιολογικών λιπασμάτων για βελτίωση της παραγωγικότητας. Η μελέτη ανέδειξε τη σημαντική επίδραση του είδους λίπανσης σε διάφορες εδαφικές παραμέτρους, υπογραμμίζοντας την ανωτερότητα της βιολογικής λίπανσης, ειδικά της επέμβασης BHS, στην αύξηση των εδαφικών δεικτών STN (Soil Total Nitrogen), CEC (Cation exchange capacity) και SOM (Soil Organic Matter). Η βιολογική λίπανση έδειξε υψηλότερες τιμές σε δείκτες αποδοτικότητας του αζώτου (NUEcrop, PFP, REfertN, NUpE) σε σύγκριση με τα ανόργανα λιπάσματα. Ωστόσο, η αλατότητα παρουσιάζεται ως εμπόδιο στην αποτελεσματική απορρόφηση του αζώτου, επισημαίνοντας την ανάγκη διαχείρισης των επιπέδων αλατότητας για βελτιστοποίηση της υγείας του εδάφους και της απόδοσης της λίπανσης. Η βιολογική λίπανση επηρέασε θετικά την ποιότητα της ζωοτροφής από τριγωνέλλα, ενισχύοντας την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες χωρίς να υπάρχει στατιστική διαφορά από την ανόργανη λίπανση. Η αλατότητα επηρέασε την απόδοση των πρωτεϊνών των σπόρων και αύξησε την περιεκτικότητα σε τέφρα λόγω της συσσώρευσης ορυκτών. Η εφαρμογή της βιολογικής λίπανσης BHS στην καλλιέργεια τριγωνέλλας βελτίωσε σημαντικά την ανάπτυξη των ριζών και την ποιότητα του εδάφους. Η βιολογική λίπανση αύξησε την περιεκτικότητα σε οργανική ουσία, βελτιώνοντας τη δομή του εδάφους. Επιπλέον, η επιφάνεια και η διάμετρος των ριζών αυξήθηκαν με τη βιολογική λίπανση, ενώ το μήκος και ο όγκος των ριζών επηρεάστηκαν θετικά, βελτιώνοντας την αντοχή των φυτών σε αλατότητα και αυξάνοντας τη διαθεσιμότητα θρεπτικών στοιχείων. Η υψηλή αλατότητα όμως μείωσε τον αριθμό των φυματίων και το μήκος των ριζών, περιορίζοντας την πρόσληψη νερού. Διαπιστώθηκε ότι οι διαφορές στις αποδόσεις των εκχυλισμάτων σχετίζονται περισσότερο με το συγκεκριμένο μέρος του φυτού παρά με την επέμβαση λίπανσης. Η ανάλυση χρωματογραφίας και η φασματομετρία NMR δεν έδειξαν σαφείς διαχωρισμούς μεταξύ των δειγμάτων από διαφορετικές λιπάνσεις, παρά μόνο μικρές ποσοτικές διαφορές, υποδεικνύοντας ότι άλλοι παράγοντες ενδέχεται να επηρεάζουν τη χημική σύνθεση των φυτών. Η περαιτέρω ανάλυση μεγαλύτερου αριθμού δειγμάτων και καλλιεργητικών περιόδων θεωρείται απαραίτητη για να επιβεβαιωθούν αυτά τα ευρήματα. Παρατηρήθηκαν σημαντικές αλλαγές στους δευτερογενείς μεταβολίτες και τα ένζυμα του φυτού, καθώς και στο μεταβολικό του προφίλ υπό διαφορετικές συνθήκες αλατότητας και λίπανσης, χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως η GC/EI/MS και OPLS-DA. Η αύξηση στα επίπεδα τρεχαζόλης και ορισμένων οργανικών οξέων σε αυτές τις συνθήκες φαίνεται να παρέχει προστασία στα φυτά από τις τοξικές επιπτώσεις της αλατότητας και να συμβάλλει στη διατήρηση της ενδοκυτταρικής ισορροπίας. Επιπλέον, η αύξηση στα επίπεδα αμινοξέων όπως η L-προλίνη, η γλυκίνη και η β-αλανίνη υπογραμμίζει τον ρόλο τους στην αντοχή των φυτών σε στρεσογόνες συνθήκες. Τα ευρήματα δείχνουν ότι το φυτό τριγωνέλλα ενεργοποιεί πολλαπλούς μηχανισμούς προσαρμογής για να ανταπεξέλθει στις αλατούχες συνθήκες, βελτιώνοντας την επιβίωση και ανάπτυξή του σε αυτά τα περιβάλλοντα. Συμπερασματικά, η μελέτη ανέδειξε τον θετικό ρόλο της βιολογικής λίπανσης στην ανάπτυξη και απόδοση της τριγωνέλλας, προωθώντας την ανάπτυξη των φυτών, την ποιότητα της βιομάζας και τη βελτίωση των εδαφικών δεικτών. Οι βιολογικές λιπάνσεις, σε σύγκριση με τις ανόργανες, προσέφεραν σταθερότερη απελευθέρωση θρεπτικών συστατικών και βελτίωσαν τη δομή του εδάφους, αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε οργανική ουσία. Παρόλο που η αλατότητα επηρέασε αρνητικά την ανάπτυξη και την απορρόφηση θρεπτικών στοιχείων, η βιολογική λίπανση φάνηκε να ενισχύει την αντοχή των φυτών στις αλατούχες συνθήκες. Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να διερευνηθούν πλήρως οι μακροπρόθεσμες επιδράσεις της αλατότητας και των λιπάνσεων στην παραγωγικότητα της καλλιέργειας.

Fenugreek is an herb with a long history in traditional medicine and has been used in various cultures to treat numerous ailments. The cultivation of fenugreek is of scientific interest due to its resilience and nutritional properties. In this study, a field experiment was conducted at the Agricultural University of Athens during the period 2018-2021, using a split-plot design with two main salinity treatments (High Salinity - HS & Conventional Salinity - CS) and five fertilization treatments (bio-cyclical-vegan (BHS), manure (FYM), compost (COMP), inorganic fertilizer (11-15-15), and a control group (C)). The purpose of the experiments was to investigate potential genotypic differences in agronomic and quality characteristics, soil physical properties, the plant's root system, its quality as animal feed, and its metabolomic response to the aforementioned experimental treatments. The growth and yield of fenugreek plants showed that fertilization had a significant positive impact on plant height, with the average height ranging from 34 to 75 cm over the three years of the experiment. High salinity reduced the number of shoots, while organic fertilization increased the number of leaves. Furthermore, growth indices such as AGR (Absolute Growth Rate) and NAR (Net Assimilation Rate) were affected by fertilization, with organic fertilizers showing higher AGR values. Organic fertilization also promoted leaf growth and photosynthesis, enhancing LA (Leaf Area) and LAR (Leaf Area Ratio) indices. The interaction between fertilization and salinity influenced the RGR (Relative Growth Rate), while LAI (Leaf Area Index) and LAD (Leaf Area Duration) improved with fertilization, demonstrating long-term benefits of organic fertilization. Biomass yield and seed production were significantly enhanced by organic fertilization, highlighting the advantages of using organic fertilizers for improving productivity. The study highlighted the significant effect of the type of fertilization on various soil parameters, emphasizing the superiority of organic fertilization, particularly the BHS treatment, in increasing soil indicators such as STN (Soil Total Nitrogen), CEC (Cation Exchange Capacity), and SOM (Soil Organic Matter). Organic fertilization showed higher values in nitrogen efficiency indices (NUEcrop, PFP, REfertN, NUpE) compared to inorganic fertilizers. However, salinity presents a challenge for effective nitrogen uptake, underscoring the need for managing salinity levels to optimize soil health and fertilization effectiveness. Organic fertilization positively impacted the quality of fenugreek as animal feed, enhancing its protein content without significant statistical difference from inorganic fertilization. Salinity affected the seed protein yield and increased ash content due to mineral accumulation. The application of BHS organic fertilization in fenugreek cultivation significantly improved root development and soil quality. Organic fertilization increased organic matter content, improving soil structure. Additionally, root surface area and diameter increased with organic fertilization, while root length and volume were positively affected, improving plant resistance to salinity and increasing nutrient availability. However, high salinity reduced the number of nodules and root length, limiting water uptake. It was found that differences in extract yields were more related to the specific part of the plant than to the fertilization treatment. Chromatography analysis and NMR spectroscopy did not show clear separations between samples from different fertilization treatments, except for small quantitative differences, suggesting that other factors may influence the chemical composition of the plants. Further analysis of a larger number of samples and cultivation periods is necessary to confirm these findings.

Significant changes were observed in the plant's secondary metabolites and enzymes, as well as in its metabolic profile under different salinity and fertilization conditions, using techniques such as GC/EI/MS and OPLS-DA. The increase in levels of trehalose and certain organic acids under these conditions seems to provide protection to the plants from the toxic effects of salinity and helps maintain intracellular balance. Additionally, the increase in amino acids such as L-proline, glycine, and β-alanine highlights their role in plant resistance to stressful conditions. The findings indicate that fenugreek activates multiple adaptation mechanisms to cope with saline conditions, improving its survival and growth in these environments. In conclusion, the study highlighted the positive role of organic fertilization in fenugreek growth and yield, promoting plant growth, biomass quality, and improving soil indicators. Organic fertilizers, compared to inorganic ones, provided more stable nutrient release and improved soil structure by increasing organic matter content. Although salinity negatively affected growth and nutrient uptake, organic fertilization appeared to enhance plant resilience in saline conditions. However, further research is needed to fully explore the long-term effects of salinity and fertilization on crop productivity.