Roles biológicos y ecológicos de los compuestos orgánicos volátiles (COV) de las plantas de las Islas Baleares

Abstract

[cat] Les plantes, com a organismes sèssils, han desenvolupat estratègies complexes que els permeten evolucionar i interaccionar amb els factors biòtics i abiòtics de l’entorn. A més del desplegament floral i d'oferir recompenses nutricionals, les plantes sintetitzen i emeten una gran varietat de compostos orgànics volàtils (COV) que exerceixen diverses funcions fisiològiques i ecològiques. L'atracció química de pol·linitzadors, els fenòmens al·lelopàtics o la síntesi de substàncies tòxiques com a mecanisme de defensa front herbívors, són algunes de les funcions ecològiques més reconegudes dels COV.

Els COV poden ser sintetitzats en diferents teixits vegetals a partir de processos fisiològics complexos i diversos. A més, s'ha corroborat una gran variabilitat temporal i espacial de les taxes d'emissió dels COV, a causa de la complexitat dels factors interns (genètics i bioquímics) i externs (abiòtics i biòtics) que els regulen. Aquestes mescles d'aromes permeten a les plantes oferir informació detallada sobre el seu estat fisiològic i fenològic (l'estat de la flor, l'atac d'herbívors, la infecció per microbis, la recompensa floral disponible, etc.), que pot ser processada per altres organismes, tant beneficiosos com perjudicials, que hi interactuen directament o indirectament.

En aquesta tesi, s'ha pretès contribuir al coneixement de la flora balear, des d'una perspectiva bioquímica, a partir de l'estudi dels perfils volàtils, mitjançant diferents tècniques d'extracció i anàlisi, d'un conjunt d'espècies mediterrànies, seleccionades amb l'objectiu de considerar i avaluar diferents aspectes ecològics.

El primer capítol de la tesi representa una contribució al coneixement de les estratègies desenvolupades per les espècies rupícoles front dels depredadors invertebrats. Clinopodium rouyanum (Briq.) Govaerts, és una espècie endèmica de Mallorca (Balears), en perill d'extinció (VU), que creix entre 900-1400 m. Per a aquesta espècie, es van descriure les característiques micromorfològiques de les parts verdes, mitjançant microscòpia electrònica d'escombrada, es van identificar els olis essencials mitjançant destil·lació SDE, i els COV emesos per les parts verdes, les flors senceres, i les corol·les aïllades mitjançant HS-SPME -GC-MS, així com els volàtils interns dels tubs de la corol·la mitjançant ST-TD-GC-MS. Finalment es van avaluar els efectes dissuasius dels olis essencials i l'emissió de COV contra els invertebrats. Des d'una perspectiva ecològica, concloem que la composició dels olis essencials i COV que emet C. rouyanum són clau per a la defensa contra els herbívors invertebrats, i el coneixement d’aquests podria contribuir a la conservació d'aquesta espècie amenaçada.

La gran varietat de formes florals de les angiospermes i la diversitat d'aromes florals s'han descrit com a característiques evolutives que n'han definit les interaccions amb els visitants florals. En el segon capítol, identifiquem i analitzem, mitjançant HS-SPME-GC-MS, els COV florals emesos per dues espècies simpàtriques i asincròniques arbustives enfiladisses: Clematis cirrhosa L. i C. flammula L. Documentem els visitants florals, i provem el grau de dependència dels pol·linitzadors en l'èxit reproductiu de les plantes, en funció de les característiques florals (forma i disposició), la fenologia floral, l'aroma i l'època de floració de cadascuna. La floració d'aquestes espècies en períodes de més estrès per als pol·linitzadors, a causa de la baixa disponibilitat d'espècies florides, és fonamental per a la supervivència d'una part important de l'entomofauna pol·linitzadora. En el tercer capítol, es va enfocar des del valor taxonòmic i filogenètic que representa la química de les plantes, així com l'ús recent dels COV als estudis taxonòmics. Es van identificar els COV florals de dues espècies del gènere Rhamnus (Rh. alaternus L. i Rh. ludovici-salvatoris Chodat.), així com de l'híbrid entre aquests tàxons (Rh. Xbermejoi Fraga & Rosselló). Els perfils volàtils obtinguts van presentar diferències quantitatives i qualitatives significatives, que van corroborar el seu valor quimiotaxonòmic com a caràcter discriminant entre tàxons molt propers.

Finalment, el quart capítol es van recollir i identificar els COV emesos per les flors senceres, mitjançant HS-SPME-GC-MS, de dues esparregueres sincròniques mediterrànies: Asparagus acutifolius L. i A. albus L. Per a aquestes espècies es van monitoritzar diferents poblacions naturals de les Illes Balears, i se'n va estudiar la fenologia floral, els seus pol·linitzadors i l'èxit reproductiu. A més, es va discutir el fenomen de la ginodioècia a A. acutifolius. L'evolució de les aromes i la diversificació dels COVs florals, entre espècies simpàtriques i sincròniques, s'entén com una important estratègia biològica per coexistir en un ecosistema en què la competència pels pol·linitzadors pot ser un factor clau per a l'èxit reproductiu.

Així, aquesta tesi aporta nous coneixements sobre diferents rols que exerceixen els COV d'una representació de plantes mediterrànies, així com la seva repercussió en les interaccions amb altres organismes i potencial aplicació a la quimiotaxonomia.

[spa] Las plantas, como organismos sésiles, han desarrollado estrategias complejas que les permiten evolucionar e interaccionar con los factores bióticos y abióticos del entorno. Además del despliegue floral y de ofrecer recompensas nutricionales, las plantas sintetizan y emiten una gran variedad de compuestos orgánicos volátiles (COV) que desempeñan diversas funciones fisiológicas y ecológicas. La atracción química de polinizadores, los fenómenos alelopáticos o la síntesis de substancias toxicas como mecanismo de defensa frente a herbívoros, son algunas de las funciones ecológicas más distinguidas de los COV.

Los COV pueden ser sintetizados en diferentes tejidos vegetales a partir de procesos fisiológicos complejos y diversos. Además, se ha corroborado una gran variabilidad temporal y espacial de las tasas de emisión de los COV, debido a la complejidad de los factores internos (genéticos y bioquímicos) y externos (abióticos y bióticos) que los regulan. Estas mezclas de aromas, permiten a las plantas ofrecer información detallada sobre su estado fisiológico y fenológico (el estado de la flor, el ataque de herbívoros, la infección por microbios, la recompensa floral disponible, etc.), que puede ser procesada por otros organismos, tanto beneficiosos como perjudiciales, que interactúan directa o indirectamente con ellas.

En la presente tesis, se ha pretendido contribuir al conocimiento de la flora balear, desde una perspectiva bioquímica, a partir del estudio de los perfiles volátiles, mediante diferentes técnicas de extracción y análisis, de un conjunto de especies mediterráneas, seleccionadas con el objetivo de considerar y evaluar diferentes aspectos ecológicos.

El primer capítulo de la tesis, representa una contribución al conocimiento de las estrategias desarrolladas por las especies rupícolas frente a los depredadores invertebrados. Clinopodium rouyanum (Briq.) Govaerts, es una especie endémica de Mallorca (Baleares), en peligro de extinción (VU), que crece entre 900-1400 m. Para esta especie, se describieron las características micromorfológicas de las partes verdes, mediante microscopía electrónica de barrido, se identificaron los aceites esenciales mediante destilación SDE, y los COV emitidos por las partes verdes, las flores enteras, y las corolas aisladas mediante HS-SPME-GC-MS, así como los volátiles internos de los tubos de la corola mediante ST-TD-GC-MS. Finalmente se evaluaron los efectos disuasorios de los aceites esenciales y la emisión de COV contra los invertebrados. Desde una perspectiva ecológica, concluimos que la composición de los aceites esenciales y COV que emite C. rouyanum, son clave para la defensa contra los herbívoros invertebrados, y su conocimiento, podría contribuir a la conservación de esta especie amenazada.

La gran variedad de formas florales de las angiospermas y la diversidad de aromas florales se han descrito como características evolutivas que han definido sus interacciones con los visitantes florales. En el segundo capítulo, identificamos y analizamos, mediante HS-SPME-GC-MS, los COV florales emitidos por dos especies simpátricas y asincrónicas arbustivas trepadoras: Clematis cirrhosa L. y C. flammula L. Documentamos los visitantes florales, y probamos el grado de dependencia de los polinizadores en el éxito reproductivo de las plantas, en función de las características florales (forma y disposición), la fenología floral, el aroma y la época de floración de cada una. La floración de estas especies en períodos de mayor estrés para los polinizadores, debido a la baja disponibilidad de especies florecidas, resulta fundamental para la supervivencia de una parte importante de la entomofauna polinizadora. En el tercer capítulo, se enfocó desde el valor taxonómico y filogenético que representa la química de las plantas, así como el uso reciente de los COV en los estudios taxonómicos. Se identificaron los COV florales de dos especies del género Rhamnus (Rh. alaternus L. y Rh. ludovici-salvatoris Chodat.), así como del híbrido entre estos taxones (Rh. Xbermejoi Fraga & Rosselló). Los perfiles volátiles obtenidos presentaron diferencias cuantitativas y cualitativas significativas, que corroboraron su valor quimiotaxonómico como carácter discriminante entre taxones muy cercanos.

Finalmente, en el cuarto capítulo, se capturaron e identificaron los COV emitidos por las flores enteras, mediante HS-SPME-GC-MS, de dos esparragueras sincrónicas mediterráneas: Asparagus acutifolius L. y A. albus L. Para estas especies se monitorizaron diferentes poblaciones naturales de las Islas Baleares, y se estudió su fenología floral, sus polinizadores y el éxito reproductivo. Además, se discutió el fenómeno de la ginodioecia en A. acutifolius. La evolución de los aromas y la diversificación de los COV florales, entre especies simpátricas y sincrónicas, se entiende como una importante estrategia biológica para coexistir en un ecosistema en el que la competencia por los polinizadores puede ser un factor clave para el éxito reproductivo.

De esta manera, la presente tesis, aporta nuevos conocimientos sobre diferentes roles que desempeñan los COV de una representación de plantas mediterráneas, así como su repercusión en las interacciones con otros organismos y potencial aplicación en la quimiotaxonomía.

[eng] Plants, as sessile organisms, have developed complex strategies that allow them to evolve and interact with biotic and abiotic environmental factors. In addition to floral display and providing nutritional rewards, plants synthesise and emit a wide range of volatile organic compounds (VOCs) that perform various physiological and ecological functions. The chemical attraction of pollinators, allelopathic phenomena or the synthesis of toxic substances as a defence mechanism against herbivores are some of VOCs' most distinguished ecological functions.

VOCs can be synthesised in different plant tissues by complex and diverse physiological processes. In addition, a large temporal and spatial variability of VOCs emission rates has been corroborated due to the complexity of internal (genetic and biochemical) and external (abiotic and biotic) factors that regulate them. These scent mixtures allow plants to provide detailed information about their physiological and phenological state (flower condition, herbivore attack, microbial infection, available floral reward, etc.), which can be processed by other organisms, both beneficial and detrimental, that interact directly or indirectly with them.

This thesis aims to contribute to the knowledge of the Balearic flora, from a biochemical perspective, by studying the volatile profiles, using different extraction and analysis techniques, of a group of Mediterranean species selected to consider and evaluate various ecological aspects.

The first chapter of the thesis contributes to the knowledge of the strategies developed by rupicolous species against invertebrate predators. Clinopodium rouyanum (Briq.) Govaerts is a species endemic to Mallorca (Balearic Islands), in danger of extinction (VU), which grows between 900-1400 m. For this species, the micromorphological characteristics of green parts were described by scanning electron microscopy, essential oils were identified by SDE distillation, and VOCs emitted from green parts, whole flowers, and isolated corollas by HS-SPME-GC-MS, as well as internal volatiles from corolla tubes by ST-TD-GC-MS. Finally, the deterrent effects of essential oils and VOCs emission against invertebrates were evaluated. From an ecological perspective, we conclude that the composition of essential oils and VOCs emitted by C. rouyanum are key to its defence against invertebrate herbivores, and knowledge of these could contribute to the conservation of this endangered species.

The variety of angiosperm floral forms and the diversity of floral scents have been described as evolutionary characteristics defining their interactions with floral visitors. In the second chapter, we identify and analyse, by HS-SPME-GC-MS, the floral VOCs emitted by two sympatric and asynchronous climbing shrub species: Clematis cirrhosa L. and C. flammula L. We documented floral visitors and tested the degree of pollinator dependence on the reproductive success of the plants as a function of floral characteristics (shape and arrangement), floral phenology, scent and flowering time of each. The flowering of these species during periods of increased stress for pollinators due to the low availability of flowering species is essential for the survival of an important part of the pollinating entomofauna. The third chapter focused on plant chemistry's taxonomic and phylogenetic value and the recent use of VOC in taxonomic studies. Floral VOCs were identified for two species of the genus Rhamnus (Rh. alaternus L. and Rh. ludovici-salvatoris Chodat.) and for the hybrid between these taxa (Rh. Xbermejoi Fraga & Rosselló). The volatile profiles obtained showed significant quantitative and qualitative differences, which corroborated their chemotaxonomic value as a discriminant character between closely related taxa.

Finally, in the fourth chapter, VOCs emitted by whole flowers were captured and identified by HS-SPME-GC-MS from two Mediterranean synchronous asparagus species: Asparagus acutifolius L. and A. albus L. For these species, different natural populations of the Balearic Islands were monitored, and their floral phenology, pollinators and reproductive success were studied. In addition, the phenomenon of gynodioecy in A. acutifolius was discussed. Finally, the evolution of scent and diversification of floral VOCs between sympatric and synchronous species is an important biological strategy to coexist in an ecosystem where competition for pollinators may be a key factor for reproductive success.

Thus, the present thesis provides new knowledge on different roles played by VOCs in a representation of Mediterranean plants, as well as their impact on interactions with other organisms and their potential application in chemotaxonomy.