Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η προσέγγιση του ρόλου ή των ρόλων των ανθοκυανινών στα φύλλα. Σε πολλά φυτικά είδη παρατηρείται το φαινόμενο του παροδικού ερυθρού χρωματισμού των φύλλων. Υπεύθυνες για την ερυθρότητα αυτή είναι οι ανθοκυανίνες που συντίθενται στα φύλλα αυτά. Προκειμένου να ανακαλύψουμε το ρόλο των ανθοκυανινών πραγματοποιήσαμε συγκρίσεις διαφόρων παραμέτρων ανάμεσα σε πράσινα (χωρίς ανθοκυανίνες) και κόκκινα (με ανθοκυανίνες) φύλλα. Στο πρώτο πείραμα που έγινε σε εργαστηριακές συνθήκες, μετρήθηκε η επίδραση ενός οξειδωτικού παράγοντα, του μεθυλ-βιολογόνου, στη φωτοχημική απόδοση πράσινων και κόκκινων φύλλων τεσσάρων ειδών (Cistus creticus, Photinia  fraseri, Rosa sp. Ricinus communis). Τα δύο πρώτα είδη διαθέτουν τις ανθοκυανίνες στα φωτοσυνθετικά κύτταρα του μεσόφυλλου, ενώ τα δύο άλλα στα μη φωτοσυνθετικά κύτταρα της επιδερμίδας. Στο δεύτερο πείραμα που έγινε σε συνθήκες πεδίου, μετρήθηκε εποχιακά η φωτοχημική απόδοση πράσινων και κόκκινων φύλλων του C. creticus. Τέλος, στο τρίτο πείραμα που επίσης πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο, μελετήθηκε η επίδραση του κόκκινου φωτισμού στη σύνθεση ανθοκυανινών σε φύλλα από το είδος Coleus blumei. Το μεθυλ-βιολογόνο επηρεάζει αρνητικά τόσο τα κόκκινα όσο και τα πράσινα φύλλα. Βρέθηκε όμως ότι τα φύλλα με τις ανθοκυανίνες στο μεσόφυλλο είναι πιο ανθεκτικά απέναντι στην οξειδωτική καταπόνηση σε σχέση με τα φύλλα με τις ανθοκυανίνες στην επιδερμίδα, γεγονός που ενισχύει την άποψη σχετικά με τον αντιοξειδωτικό ρόλο των ανθοκυανινών, μια και οι οξειδωτικές ρίζες σχηματίζονται περισσότερο στα κύτταρα του μεσόφυλλου. Το πείραμα του πεδίου, έδειξε πως τα άτομα C. creticus που συνθέτουν ανθοκυανίνες στα φύλλα τους διαθέτουν μια εγγενή κατωτερότητα της φωτοσυνθετικής τους δραστηριότητας, που όμως αντισταθμίζεται μόλις ξεκινήσει η σύνθεση των ανθοκυανινών. Αυτό το εύρημα παραπέμπει σε φωτοπροστατευτικό ρόλο των ανθοκυανινών. Τέλος, ο κόκκινος φωτισμός που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη φύλλων του C. blumei δεν έδειξε σαφή αποτελέσματα σε σχέση με το ρόλο των ανθοκυανινών. / The aim of this work is finding out the possible role or roles of anthocyanins in leaves. In many plant species leaves temporarily turn red. Anthocyanins produced in these leaves are responsible for this redness. In order to discover the role of anthocyanins we compared some parameters between green (without anthocyanins) and red (containing antocyanins) leaves. In the first experiment, carried out in the laboratory, we measured the effect of methyl-viologen, an oxidative factor, in the photochemical efficiency of green and red leaves of four species (Cistus creticus, Photinia  fraseri, Rosa sp. Ricinus communis). The first two of these species contain anthocyanins in the photosynthetic mesophyll cells. The other two contain anthocyanins in the non photosynthetic epidermal cells. In a second experiment, carried out in the field, we measured the photochemical efficiency of green and red leaves of C. creticus during the period of a year. Finally, in a third experiment, also carried out in the laboratory, we studied the effect of red light in anthocyanin synthesis of Coleus blumei leaves. Methyl-viologen affects both red and green leaves. However, leaves with anthocyanins in the mesophyll cells show less damage than leaves with anthocyanins in the epidermis. This fact is compatible with an antioxidant role of those pigments, since the oxidative species are mostly produced in the mesophyll cells. The field experiment showed that the individuals which temporarily produce anthocyanins have a photosynthetic “inferiority” compared with individuals that don’t produce these red pigments. This inferiority is compensated once the anthocyanin synthesis begins. This result points out the photoprotective role of anthocyanins. The results of the last experiment are rather confusing about the effect of red light in anthocyanin synthesis.

Στα φύλλα κάποιων φυτικών ειδών παρουσιάζεται παροδική ερυθρότητα, λόγω συσσώρευσης ανθοκυανινών, η οποία μπορεί να είναι τόσο έντονη που να καλύπτεται το χρώμα της χλωροφύλλης. Δεδομένου ότι απορροφούν και στο ορατό φάσμα (κυρίως στην πράσινη και ελαφρώς στη μπλε και κίτρινη περιοχή) οι ανθοκυανίνες πρακτικώς λειτουργούν ως φίλτρα, αφού απορροφούν μέρος της προσπίπτουσας φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας και ανταγωνίζονται τις χλωροφύλλες στην απορρόφηση του φωτός. Εξ αιτίας αυτής της ιδιότητάς τους, ένας από τους ρόλους που τους έχει αποδοθεί είναι η φωτοπροστατευτική δράση, ενώ παράλληλα (και ανεξαρτήτως ρόλου που επιτελούν) έχει προταθεί ότι διαμορφώνουν ένα ιδιαίτερο μικροπεριβάλλον σκιάς στο εσωτερικό του φύλλου. Προκειμένου να διερευνηθεί η πιθανή συνεισφορά των ανθοκυανινών στη φωτοπροστασία αλλά και στην επαγωγή σκιόφιλων χαρακτήρων, στην παρούσα διατριβή παρακολουθήσαμε την πορεία των φωτοσυνθετικών και φωτοπροστατευτικών χαρακτηριστικών, παράλληλα με τη μεταβολή της ερυθρότητας, σε φύλλα του ίδιου είδους που διαφέρουν ως προς το ανθοκυανικό περιεχόμενο. Εξετάστηκαν πέντε είδη, τρία ως κύρια πειραματόφυτα (Cistus creticus L., Photinia x fraseri Dress και Quercus coccifera L.) και δύο ως συμπληρωματικά στον προσδιορισμό της στοιχειομετρίας των δύο φωτοσυστημάτων (Ricinus communis L., Rosa sp. L.). Στο C. creticus, η παροδική ερυθρότητα εμφανίζεται στα ώριμα φύλλα και σχετίζεται με αβιοτικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες, συγκεκριμένα το συνδυασμό χαμηλών θερμοκρασιών και υψηλών εντάσεων φωτός. Στα υπόλοιπα, η παροδική συσσώρευση ανθοκυανινών επάγεται από οντογενετικούς παράγοντες (νεαρά κόκκινα φύλλα που πρασινίζουν με την ωρίμανση). Στα P. x fraseri και R. communis, η χρωματική ποικιλομορφία αφορά φύλλα διαφορετικής ηλικίας, που ανήκουν όμως στο ίδιο άτομο (νεαρά κόκκινα-ώριμα πράσινα). Tα υπόλοιπα τρία είδη εμφανίζουν ενδο-ειδική ποικιλομορφία ως προς τον ανθοκυανικό χαρακτήρα, και επομένως συγκρίνονται φύλλα ίδιας κάθε φορά φυσιολογικής ηλικίας, που ανήκουν σε άτομα διαφορετικών φαινοτύπων. Στην περίπτωση που οι ανθοκυανίνες λειτουργούν φωτοπροστατευτικά, αναμένεται τα φύλλα που τις περιέχουν να αντιμετωπίζουν μικρότερο κίνδυνο φωτοαναστολής και να έχουν μικρότερη ανάγκη για μη-φωτοχημική απόσβεση σε σύγκριση με τα αντίστοιχα πράσινα. Ωστόσο, από τις μετρήσεις του in vivo φθορισμού της χλωροφύλλης σε προ-σκοτεινιασμένα δείγματα (OJIP-ανάλυση) δεν διαπιστώθηκε τα ανθοκυανικά φύλλα να διαθέτουν κάποιο συγκριτικό πλεονέκτημα όσον αφορά στη φωτοσυνθετική τους λειτουργία. Αντιθέτως, τα κόκκινα φύλλα των ειδών P. x fraseri και C. creticus εκτός του ότι παρουσιάζουν ελαφρώς, αλλά στατιστικώς σημαντικά, χαμηλότερες τιμές μέγιστης φωτοχημικής απόδοσης του PSII (Fv/Fm) συναντούν και σαφώς μεγαλύτερους περιορισμούς στα μετέπειτα στάδια ηλεκτρονιακής ροής και μετατροπής της ενέργειας σε σχέση με τα αντίστοιχα πράσινα. Και στις δυο περιπτώσεις είναι πιθανό να συμβαίνει απενεργοποίηση κάποιων λειτουργικών ενεργών κέντρων του PSII. Στο Q. coccifera, τα όμοιας ηλικίας φύλλα των δύο φαινοτύπων δεν παρουσιάζουν διαφορές στις ανωτέρω παραμέτρους. Οι μετρήσεις φθορισμού της χλωροφύλλης κάτω από συνθήκες ακτινικού φωτός έδειξαν ότι τα κόκκινα φύλλα έχουν όμοιες (P. x fraseri και C. creticus) ή χαμηλότερες (Q. coccifera) τιμές τρέχουσας φωτοχημικής απόδοσης (YII) και αντίστοιχα όμοιες ή υψηλότερες τιμές μη-φωτοχημικής απόσβεσης (YNPQ). Ωστόσο, λόγω της απορρόφησης των ανθοκυανινών, οι χλωροπλάστες των κόκκινων φύλλων δέχονται πραγματική ένταση φωτός χαμηλότερη της προσπίπτουσας, και επομένως τα ανωτέρω αποτελέσματα είναι αντίθετα των αναμενόμενων. Διαφωτιστικές προς αυτή την κατεύθυνση είναι οι μετρήσεις φθορισμού της κάτω (πράσινης) φυλλικής επιφάνειας σε φωτιζόμενα φύλλα των δύο φαινοτύπων του C. creticus. Σ’ αυτήν την περίπτωση, έχοντας παρακάμψει το πρόβλημα της απορρόφησης των ανθοκυανινών, τα φύλλα του κόκκινου φαινοτύπου εμφανίζουν υψηλότερη ανάγκη μη-φωτοχημικής απόσβεσης (YNPQ) και υψηλότερη ευαισθησία έναντι της φωτοαναστολής (YNΟ), παρ’ όλη τη θεωρούμενη προστασία των υπερκείμενων ανθοκυανινών της άνω επιφανείας. Η μεγαλύτερη ανάγκη μη φωτοχημικής απόσβεσης των κόκκινων φύλλων διαφαίνεται και από την υψηλότερη επένδυση σε συστατικά του κύκλου των ξανθοφυλλών (P. x fraseri) ή την καλύτερη λειτουργικότητα του κύκλου (C. creticus), σε συνθήκες έντονου φωτισμού. Μάλιστα, κατά την καταπονητική περίοδο του χειμώνα ο κόκκινος φαινότυπος του C. creticus εμφανίζει μείωση των περιεχομένων χλωροφυλλών, πιθανόν σε μια προσπάθεια περαιτέρω ελάττωσης της απορροφούμενης ενέργειας διεγέρσεως, παρ’ όλη την ύπαρξη του ανθοκυανικού φίλτρου. Με βάση τα ανωτέρω ευρήματα, η υπόθεση του φωτοπροστατευτικού ρόλου των ανθοκυανινών δεν ενισχύεται, εκτός εάν υποτεθεί είτε ότι ο στόχος για την προστασία δεν συνδέεται με τη φωτοσύνθεση είτε ότι τα κόκκινα φύλλα εάν δεν τις διέθεταν θα ήταν σε πολύ πιο δυσμενή θέση, σε σύγκριση πάντα με τα πράσινα. Όσον αφορά στη συνεισφορά των ανθοκυανινών στην επαγωγή σκιόφιλων χαρακτήρων βρέθηκαν κάποιες ισχυρές ενδείξεις προς αυτήν την κατεύθυνση, ανεξάρτητα από τον παράγοντα που επάγει τη συσσώρευσή τους. Έτσι, και στα πέντε είδη που εξετάστηκαν, παρατηρήθηκε αύξηση της σχετικής αναλογίας PSII/PSI στα κόκκινα φύλλα, η οποία είναι στατιστικά σημαντική (εκτός από την περίπτωση του Q. coccifera) και βαίνει μειούμενη με τη μείωση των περιεχομένων ανθοκυανινών. Αύξηση της αναλογίας PSII/PSI έχει συσχετισθεί με την ποιοτική αλλοίωση του φωτός σε συνθήκες σκιάς και στοχεύει στην εξισορροπημένη διέγερση των δύο φωτοσυστημάτων. Από τον τρόπο προσδιορισμού της (ως F686/F735), η ανωτέρω αναλογία δεν κάνει διάκριση μεταξύ φωτοσυλλεκτικής κεραίας και ενεργών κέντρων των δύο φωτοσυστημάτων. Μία άλλη παράμετρος, που θεωρείται τυπικός δείκτης σκιοφιλίας και μετρήθηκε στο σύνολο των πειραματοφύτων, είναι η αναλογία Chl a/b. Μειωμένη αναλογία Chl a/b σε συνθήκες σκιάς υποδεικνύει αύξηση των φωτοσυλλεκτικών κεραιών σε σχέση με τα ενεργά κέντρα. Στατιστικά σημαντική μείωση της ανωτέρω αναλογίας βρέθηκε στα κόκκινα φύλλα των ειδών C. creticus, Q. coccifera και Rosa sp.. Στα P. x fraseri και R. communis δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ κόκκινων και πράσινων φύλλων. Τέλος, στα είδη C. creticus, P. x fraseri και Q. coccifera προσδιορίσθηκε και η παράμετρος ABS/RC (όπως προκύπτει από την OJIP-ανάλυση), όπου παρατηρήθηκε στατιστικώς σημαντική αύξηση στα κόκκινα φύλλα των δύο πρώτων ειδών. Στο Q. coccifera η ίδια τάση δεν είναι στατιστικά σημαντική. Αύξηση της αναλογίας ABS/RC, η οποία αποτελεί θα λέγαμε έναν λειτουργικό περισσότερο δείκτη, μπορεί να αποδοθεί σε αυξημένο μέγεθος της φωτοσυλλεκτικής κεραίας ή/και σε μείωση του αριθμού των λειτουργικών ενεργών κέντρων του PSII. Από το συνδυασμό των παραπάνω αποτελεσμάτων διαφαίνεται ότι στα είδη C. creticus, Rosa sp. και Q. coccifera η επίδραση των ανθοκυανινών εντοπίζεται κυρίως σε αύξηση του μεγέθους της φωτοσυλλεκτικής κεραίας. Στα P. x fraseri και R. communis, η αύξηση του λόγου PSII/PSI αντανακλά πιθανώς μια αύξηση των ενεργών κέντρων του PSII. / Leaves of some plant species appear transiently red because of the accumulation of anthocyanins, at levels sufficient to mask the green chlorophyll color. Given that leaf anthocyanins absorb also in the visible spectrum (strongly in the green and less in the blue-violet and yellow region), they act as sunscreens attenuating part of the photosynthetically active radiation and hence they compete with chlorophylls for photon capture. Due to this attribute, one of the ascribed roles of leaf anthocyanins is the photoprotection of the photosynthetic mesophyll. Additionally (and regardless of the proposed role) it has been suggested that they shape a particular shade microenvironment in the leaf interior. In order to investigate these two hypotheses, in the present study we monitored the course of photosynthetic and photoprotective characteristics in leaves of the same species with different anthocyanic content. Five species have been used, three of them as main experimental material (Cistus creticus L., Photinia x fraseri Dress και Quercus coccifera L.) and two additional (Ricinus communis L., Rosa sp. L.) for the assessment of the stoichiometry of the two photosystems. In Cistus creticus (L.) transient redness is induced in mature leaves by abiotic environmental factors, i.e. the combination of low temperatures and high light intensity during winter. In the rest species redness is developmentally determined (young red leaves which become red upon maturation). In P. x fraseri and R. communis the color variation concerns leaves of different age from the same individual (comparison of young red and mature green). The rest three species show intra-species variation of the anthocyanic trait. Thus, leaves of the same physiological age from different individuals and phenotypes (occupying the same habitat) were compared. The photoprotective hypothesis of leaf anthocyanins entails that red leaves would be less sensitive against photoinhibition and have a reduced need of non-photochemical quenching, compared to their green counterparts. However, according to our chlorophyll fluorescence measurements with dark adapted samples (OJIP-analysis), anthocyanic leaves did not display a comparative advantage in their photosynthetic function. On the contrary, red leaves of P. x fraseri and C. creticus, apart from their slightly, yet statistically significant, lower maximum PSII yield (Fv/Fm), they also confront higher limitations in the further steps of excitation energy processing and its transformation compared to greens. In both species, a transformation of active PSII centers to non-QA -reducing ones, could be inferred. In Q. coccifera, no differences were observed between leaves of the same physiological age from the two phenotypes in the above parameters. Moreover, chlorophyll fluorescence measurements in light acclimated samples have shown that red leaves have similar (P. x fraseri και C. creticus) or lower (Q. coccifera) PSII effective yield (YII) and similar or higher corresponding non-photochemical energy quenching (YNPQ). It has to be noted, however, that the actual PAR levels penetrating to the red leaf mesophyll are in fact lower compared to their green counterparts, due to anthocyanin absorption of the white and blue actinic light used during these measurements. Accordingly, for the same incident PAR, the opposite trend was expected in red leaves. In C. creticus, measurements performed in the lower leaf side by-pass this problem, since anthocyanins accumulate only in the palisade mesophyll (of the upper side) and the abaxial leaf surface is always green. In that case, red leaves showed a higher need for non-photochemical quenching (YNPQ) and a higher vulnerability to photoinhibition (YNΟ), in spite of the supposed photoprotective function of the overlying anthocyanins. The trend for an enhanced need of non-photochemical dissipation in red leaves is indicated also by the higher investment in “xanthophyll cycle” components (P. x fraseri) and/or the lower EPS values (P. x fraseri and C. creticus) during midday. In addition, during the superimposed winter stress, red leaves of C. creticus proceed to a Chl loss, possibly as an attempt to decrease further the absorbed excitation energy, in spite of the anthocyanic screen. The above results weaken the photoprotective hypothesis for leaf anthocyanins, unless it is assumed either that photosynthesis is not the target for protection or that red leaves would be in a worse position, compared to greens, if anthocyanins were absent. Some of our results support the shade acclimation hypothesis in red leaves, irrespectively of the factor that induces the accumulation of anthocyanins. In all tested species, red leaves display a higher, statistically significant, relative PSII/PSI ratio compared to greens (except of Q. coccifera, where the same was observed as a trend). PSII/PSI ratio declines in parallel with the decrease of anthocyanin accumulation. A higher PSII/PSI ratio is considered as an acclimation to the altered light quality under shade conditions in order to adjust the excitation pressure of two photosystems. Chl a/b was statistically lower in red leaves of C. creticus, Q. coccifera και Rosa sp., while in P. x fraseri and R. communis no differences were observed. A decrease in Chl a/b ratio is a typical shade acclimation feature, indicating an increased ratio of light harvesting antennae per reaction center. Finally, another parameter indicative of shade acclimation is the mean antenna size (calculated as ABS/RC ratio), which was considerably higher in red leaves of C. creticus and P. x fraseri (again in Q. coccifera only a similar trend was observed). Yet, according to the JIP-analysis the antenna size is expressed per active RC, hence the increased ABS/RC ratio could be the combined effect of an increase in the antenna size and a decrease in active PSII centers. The combination of the above results indicates that anthocyanin accumulation in C. creticus, Rosa sp. and Q. coccifera contributes mainly to a higher relative size of LHC. In the case of P. x fraseri and R. communis, the enhanced PSII/PSI ratio of red leaves reflects rather an increase of PSII centers.

Η διακυμαινόμενη ασυμμετρία των φύλλων, δηλαδή η τυχαία απόκλιση από τη συμμετρία, θεωρείται ένα μέτρο της καταπόνησης που υπέστησαν κατά την ανάπτυξή τους. Η ασυμμετρία υποδηλώνει αναπτυξιακή αστάθεια και έχει προταθεί ότι συσχετίζεται αρνητικά με την αρμοστικότητα (fitness). Εάν η φωτοσύνθεση αποτελεί έναν έμμεσο δείκτη της αρμοστικότητας, αναμένεται, ένα φύλλο με μειωμένη αρμοστικότητα να είναι και φωτοσυνθετικά υποδεέστερο. Προς επιβεβαίωση αυτού, στην παρούσα διατριβή εξετάστηκαν εκατοντάδες άθικτα φύλλα σε συνολικά 7 διαφορετικά είδη ως προς τη διακυμαινόμενη ασυμμετρία, καθώς και ως προς τη φωτοσυνθετική τους απόδοση (δείκτες PItotal & Fv/Fm). Ο δείκτης PItotal υπολογίζεται με βάση την κινητική ανάλυση των in vivo μεταβολών του φθορισμού της χλωροφύλλης και λαμβάνεται εύκολα και γρήγορα (εντός δευτερολέπτων). Ο δείκτης αυτός θεωρείται ανάλογος της φωτοσυνθετικής αφομοίωσης του CO2 και περιγράφει την απόδοση τόσο του φωτοσυστήματος Ι (PSI) όσο και του φωτοσυστήματος ΙΙ (PSII). Ο παραδοσιακός δείκτης Fv/Fm προκύπτει άμεσα από τις in vivo μετρήσεις φθορισμού της χλωροφύλλης και υποδεικνύει τη μέγιστη φωτοχημική ικανότητα του PSII. Δύο φυτικά είδη (Pistacia lentiscus, Olea europea) επέδειξαν θετική συσχέτιση μεταξύ διακυμαινόμενης ασυμμετρίας και φωτοσυνθετικής ικανότητας, αποτελέσμα αντίθετο από τις αρχικές προβλέψεις. Το μόνο φυτικό είδος που επιβεβαίωσε την αρχική υπόθεση ήταν το Ceratonia siliqua. Στα υπόλοιπα είδη (Arbutus unedo, Cercis siliquastrum, Platanus orientalis, Populus alba) δεν υπήρξε συσχέτιση μεταξύ των δύο παραμέτρων. Τα φυτικά είδη που εμφάνισαν μεγάλες τιμές διακυμαινόμενης ασυμμετρίας ήταν και αυτά στα οποία η ασυμμετρία συχετίστηκε θετικά με τη φωτοσύνθεση. Συμπεραίνεται, εμμέσως ότι η ισχυρή ένταση της καταπόνησης κατά τα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης των φύλλων σε μερικά φυτά ενδεχομένως να οδηγεί σε πιο σφριγηλή φωτοσύνθεση κατά την ωριμότητά τους ή σε μεγαλύτερη ικανότητα αντοχής στην καταπόνηση. Αν το συμπέρασμα είναι αληθές, τότε μπορεί μεν η συμμετρία να είναι ομορφότερη, δεν είναι όμως και αποδοτικότερη. Σε γενικές γραμμές, και με βάση τη βιβλιογραφία, ο δείκτης διακυμαινόμενης ασυμμετρίας των φύλλων δεν φαίνεται από μόνος του να επιτυγχάνει αξιόπιστη εκτίμηση της αρμοστικότητας. Για αυτό τον λόγο η χρησιμοποίησή του πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή και συνάμα θα πρέπει να συνδυάζεται με σειρά άλλων δεδομένων-δεικτών. Ένας ακόμη δείκτης περιβαλλοντικής καταπόνησης μπορεί να είναι η εποχική συσσώρευση ερυθρών χρωστικών (ανθοκυανινών) που παρατηρείται στα ώριμα φύλλα ορισμένων φυτικών ειδών. Έχει προταθεί ότι οι ανθοκυανίνες των φύλλων λειτουργούν ως «ομπρέλα» προστασίας για τη φωτοσυνθετική συσκευή ενάντια στη φωτοαναστολή. Ως προς την εξέταση αυτής της υπόθεσης, η παρούσα διατριβή χρησιμοποίησε δύο πειραματόφυτα που εμφανίζουν εποχική ερυθρότητα στα φύλλα ορισμένων ατόμων τους. Αυτά είναι το Pistacia lentiscus και το Cistus creticus. Αρχικά όσον αφορά το P. lentiscus, εξετάστηκε η συσχέτιση του βαθμού φωτοπροστασίας με τις πραγματικές συγκεντρώσεις ανθοκυανινών σε φύλλα ατόμων που φύονται σε συνθήκες πεδίου. Το συγκεκριμένο εγχείρημα αποτελεί καινοτομία, αφού μέχρι σήμερα δεν έχει μελετηθεί η φωτοπροστασία σε σχέση με τη διαβάθμιση της ερυθρότητας των φύλλων. Προς αυτή τη κατεύθυνση χρησιμοποιήθηκαν μη επεμβατικές οπτικές μέθοδοι (φάσματα ανακλαστικότητας και φθορισμός χλωροφύλλης) για να αποτιμήσουν τα επίπεδα ανθοκυανινών και χλωροφυλλών καθώς και τη φωτοχημική απόδοση του PS II, σε εκατοντάδες ώριμα φύλλα του φυτικού είδους P. lentiscus (σχίνος). Ο σχίνος κατά τη χειμερινή περίοδο εμφανίζει κόκκινους (όλων των διαβαθμίσεων ερυθρού χρώματος) και πράσινους φαινότυπους. Αντίθετα με την υπόθεση που υποστηρίζει το φωτοπροστατευτικό ρόλο των ανθοκυανινών, η ένταση της ερυθρότητας συσχετίστηκε θετικά με τη φωτοαναστολή και αρνητικά με τα επίπεδα των εμπεριεχόμενων χλωροφυλλών στα φύλλα. Έτσι, ο πιθανός φωτοπροστατευτικός ρόλος των ανθοκυανινών δεν επιβεβαιώθηκε. Ωστόσο, η χειμερινή ερυθρότητα των φύλλων στο σχίνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας ρεαλιστικός, γρήγορος και μη επεμβατικός τρόπος εντοπισμού ατόμων «ευάλωτων» στη χειμερινή καταπόνηση. Σε μετέπειτα στάδιο στο ίδιο φυτικό είδος, εξετάστηκε in situ η σχέση της χειμερινής ερυθρότητας των φύλλων με σειρά άλλων φωτοσυνθετικών παραμέτρων. Συγκρινόμενοι με τους πράσινους φαινότυπους κατά τη διάρκεια του χειμώνα, οι ερυθροί (ανθοκυανικοί) φαινότυποι παρουσίασαν χαμηλότερες ταχύτητες αφομοίωσης CO2. Βρέθηκε ότι αυτό οφείλεται στη χαμηλή περιεκτικότητα ή/και ενεργότητα του ενζύμου καρβοξυλάση/οξυγονάση της διφωσφορικής ριβουλόζης (Rubisco) των ερυθρών φύλλων, ενώ ταυτόχρονα η στοματική αγωγιμότητα δεν φάνηκε να είναι περιοριστική για τη φωτοσύνθεση. Συγχρόνως, οι ερυθροί φαινότυποι βρέθηκε ότι περιέχουν λιγότερο άζωτο σε σχέση με τους πράσινους. Το εύρημα αυτό πιθανώς συνδέεται με την παρατηρούμενη χαμηλή περιεκτικότητα του ενζύμου Rubisco και τον μειωμένο φωτοσυνθετικό ρυθμό των ερυθρών φύλλων. Η περιορισμένη ικανότητα των αντιδράσεων καρβοξυλίωσης να χρησιμοποιήσουν αναγωγική δύναμη και ηλεκτρόνια, ενδεχομένως εξηγεί και τη μειωμένη απόδοση παγίδευσης φωτονίων του PSII που σημειώνεται στους ερυθρούς φαινοτύπους. Σε οποιαδήποτε περίπτωση, η ανάπτυξη της ανθοκυανικής «ομπρέλας» δεν φαίνεται να αποσοβεί το κίνδυνο φωτοαναστολής της φωτοσύνθεσης στον ερυθρό φαινότυπο του σχίνου. Ως παραπροϊόν της εργασίας με το P. lentiscus, εξετάστηκε η πιθανή επίδραση των φυσικών διακυμάνσεων του αζώτου των φύλλων του στις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν οι φυσιολογικές διακυμάνσεις του αζώτου ώριμων φύλλων σε συνδυασμό με την ανάλυση των αντίστοιχων καμπυλών ταχείας ανόδου του φθορισμού της χλωροφύλλης. Η μαθηματική ανάλυση των καμπυλών έγινε σύμφωνα με το λεγόμενο «JIP-test», γεγονός που επέτρεψε την εκτίμηση της εν δυνάμει δραστηριότητας των δύο φωτοσυστημάτων. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν εξάρτηση από την εποχή, επιτρέποντας την εξαγωγή του συμπεράσματος ότι η έλλειψη αζώτου επηρεάζει επιλεκτικά και αρνητικά το PSI, ενώ η αρνητική επίδραση στο PSII περιορίζεται μόνο κατά τη δυσμενή-χειμερινή περίοδο του έτους. Ένας δεύτερος Μεσογειακός θάμνος που εξετάστηκε ήταν το είδος Cistus creticus. Όπως και ο σχίνος, το είδος αυτό επιδεικνύει χαρακτηριστική ενδοειδική ποικιλομορφία στην έκφραση του ανθοκυανικού χαρακτήρα στα φύλλα του. Συγκεκριμένα, μερικά άτομα κοκκινίζουν το χειμώνα, ενώ γειτονικά τους κάτω από τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες παραμένουν πράσινα. Η ερυθρότητα των φύλλων διατηρείται μέχρι τα μέσα της άνοιξης. Αυτό το σύστημα απεδείχθη κατάλληλο, όχι μόνο για τη μελέτη του φυσιολογικού ρόλου των ανθοκυανινών αλλά και για τη προσέγγιση οικολογικών ερωτημάτων που σχετίζονται με την αρμοστικότητα (fitness) των δύο φαινότυπων. Επίσης, απεδείχθη πως η φυλλική ερυθρότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας οπτικός δείκτης καταπόνησης. Ως τελικές παράμετροι αρμοστικότητας χρησιμοποιήθηκαν, η αναπαραγωγική προσπάθεια ως ο αριθμός ανθέων ανά άτομο, η αναπαραγωγική επιτυχία ως ο αριθμός σπερμάτων ανά άτομο καθώς και η επικονιστική επιτυχία ως ο αριθμός καρπών ανά αριθμό ανθέων και ως ο αριθμός σπερμάτων ανά καρπό. Η μελέτη αυτή, συνδιαζόμενη με σειρά φυσιολογικών δεικτών που εξέτασαν άλλα μέλη της ερευνητικής ομάδας του εργαστηρίου μας έδειξαν ότι, παρόλο που οι φυσιολογικοί δείκτες εμφανίζουν τον ερυθρό φαινότυπο υποδεέστερο, αντίθετα οι αναπαραγωγικοί δείκτες (αποτελέσματα παρούσας διατριβής) δεν παρουσίασαν διαφορές. Εν τέλει, μπορεί ίσως να λεχθεί πως η παρουσία της ερυθρότητας υποδεικνύει μεν «ασθενέστερα» άτομα (που με τη βοήθεια των ανθοκυανινών ίσως επιτυγχάνουν κάποια αντιστάθμιση αυτών των ενδογενών φυσιολογικών και γενετικών αδυναμιών τους), όχι όμως τόσο ασθενικά ώστε να επηρεάζεται αρνητικά η αναπαραγωγική τους επιτυχία και αρμοστικότητα. / Fluctuating asymmetry, small nondirectional deviations from perfect symmetry, has been proposed as a useful indicator of environmental stress. The developmental instability of an organism may induce asymmetric characters. Hence, a high degree of developmental instability, morphologically manifested as fluctuating asymmetry, may indicate less fitness. According to that, less fit individuals are expected to have asymmetric leaves and this may have a negative impact in their photosynthetic yield. In this investigation, fluctuating asymmetry and two photosynthetic indices (PItotal, Fv/Fm) has been measured in a great number of leaves in 7 plant species. PItotal, is an index which expresses the relative photosynthetic performance. It is calculated from the kinetics of fast chlorophyll a fluorescence rise curves according to the so-called «JIP-test». It is considered to be positively correlated to CO2 assimilation rates, hence to productivity based on photosynthesis. Fv/Fm, is a second photosynthetic index which indicates the maximum photosystem II (PSII) photochemical efficiency. Fluctuating asymmetry was positively correlated to both photosynthetic indices in two plant species (Pistacia lentiscus, Olea europea). These results do not support the initial hypothesis of this investigation. Contrary, the species Ceratonia siliqua shows a negative correlation between fluctuating asymmetry and the two photosynthetic indices. Furthermore, in four plant species (Arbutus unedo, Cercis siliquastrum, Platanus orientalis, Populus alba), fluctuating asymmetry and photosynthetic performance were not correlated. It happened that the two species deviating from the initial hypothesis (P. lentiscus and O. europea) display the maximum mean fluctuating asymmetry values among all species included in this investigation. In conclusion, it seems that in some plants whose leaves have experienced high stress as young are more photosynthetically potent as mature. Moreover, these results suggest that the relation between fluctuating asymmetry and photosynthesis is species-specific. Finally, the results show that fluctuating asymmetry may not be a reliable index of developmental instability and stress exposure in plants. Leaf anthocyanins are believed to afford protection against photoinhibition, yet the dependence of protection on actual anthocyanin concentrations has not been investigated. To that aim, non-invasive optical methods (spectral reflectance and chlorophyll fluorescence) were used to assess levels of anthocyanins and chlorophylls as well as photosystem II (PSII) photochemical efficiency in hundreds of leaves from the mastic tree (Pistacia lentiscus). This species displays a continuum of leaf tints during winter from fully green to fully red under field conditions. Contrary to expectations based on the photoprotective hypothesis, the strength of leaf redness was positively correlated to the extent of mid-winter chronic photoinhibition and negatively correlated to leaf chlorophyll contents. Hence, a photoprotective role for anthocyanins is not substantiated. Instead, we argue that winter leaf redness may be used reliably, quickly and non-invasively to locate vulnerable individuals in the field. Given that winter-red leaf phenotypes in the mastic tree are more vulnerable to chronic photoinhibition during the cold season, we asked whether corresponding limitations in leaf gas exchange and carboxylation reactions could also be manifested. During the cold («red») season, net CO2 assimilation rates (A) and stomatal conductances (gs) in the red phenotype were considerably lower than the green phenotype, while leaf internal CO2 concentration (Ci) was higher. The differences were abolished in the «green» period of the year, the dry summer included. Analysis of A versus Ci curves indicated that CO2 assimilation during winter in the red phenotype was limited by Rubisco content and/or activity rather than stomatal conductance. Concomitant to that, leaf nitrogen levels in the red phenotype were considerably lower during the red-leaf period. Hence, we suggest that the inherently low leaf nitrogen levels are linked to the low net photosynthetic rates of the red plants through a decrease in Rubisco content. Accordingly, the reduced capacity of the carboxylation reactions to act as photosynthetic electron sinks may explain the corresponding loss of PSII photon trapping efficiency, which cannot be fully alleviated by the screening effect of the accumulated anthocyanins. In a next step we examined whether leaf nitrogen level affects photosynthetic light reactions. Although it is amply documented that CO2 assimilation rates are positively correlated to leaf nitrogen, corresponding studies on a link between this nutrient and photosynthetic light reactions are scarce, especially under natural field conditions. In this final investigation with mastic tree, we exploited natural variation in nitrogen content of mature leaves of P. lentiscus in conjunction with fast chlorophyll a fluorescence rise (the OJIP curves) analysed according to the so-called «JIP-test», as this was recently modified to allow also for the assessment of events in or around photosystem I (PSI). The results depended on the sampling season, with low nitrogen leaves displaying lower efficiencies for electron flow from intermediate carriers to final PSI acceptors and lower relative pool sizes of these acceptors, both during the autumn and winter. However, parameters related to the PSII activity (i.e. quantum yields for photon trapping and electron flow along PSII, efficiency of a trapped exciton to move an electron from QA- to intermediate carriers) were limited by low nitrogen only during the winter period. As a result, parameters like the quantum yield of total electron flow along both photosystems as well as the total photosynthetic performance index (PItotal) were positively correlated to leaf nitrogen independently of season. We conclude that nitrogen deficiency under field conditions preferentially affects PSI activity while the effects on PSII are evident only during the stressful period of the year. In the last part of this dissertation we asked whether the leaf anthocyanic trait confers long term benefits to the plant and to that aim parameters directly related to fitness, i.e. reproductive effort and success as well as seed germinability were registered in winter-red and green phenotypes of Cistus creticus growing in the field under apparently similar conditions. The results indicated that both phenotypes displayed similar flower numbers, pollination success and seed yield, mass and germinability. As judged by the similar final reproductive output, vulnerability to the winter stress does not render the red phenotype less fit, nor anthocyanin accumulation render it more fit. Although an apparent compensating function for anthocyanins may be inferred, it can not be linked to a protection against photoinhibition of photosynthesis. Moreover, the photosynthetic inferiority of the red phenotype although linked to slightly reduced leaf number, (results from other members of our laboratory) it was not limiting for reproductive effort and success. Regardless of function, winter leaf redness may indicate photosynthetically weak, yet not necessarily less fit individuals in C. creticus.