Η εκτίμηση της παραγωγικότητας των χερσαίων οικοσυστημάτων προϋποθέτει τη δημιουργία αξιόπιστων μοντέλων παραγωγικότητας. Τα μοντέλα παραγωγικότητας τροφοδοτούνται με μια σειρά βιοτικών (φωτοσυνθετική ταχύτητα, συγκέντρωση χλωροφύλλης, ειδική μάζα φύλλου) και αβιοτικών παραμέτρων (θερμοκρασία, ένταση φωτός, βροχόπτωση) των φυτικών ειδών και του περιβάλλοντος. Μία από τις σημαντικότερες βιοτικές παραμέτρους αποτελεί η μέγιστη φωτοσυνθετική ταχύτητα κάτω από κορεσμένες εντάσεις φωτός, σε φυσιολογικές συγκεντρώσεις CO2 και στις επικρατούσες θερμοκρασίες (Asat). Η μέτρηση της Asat στο πεδίο με τις κλασσικές μεθόδους (αναλυτής αερίων) είναι επίπονη και χρονοβόρος διαδικασία. Για το λόγο αυτό νέοι τρόποι υπολογισμού της Asat προτείνονται. Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε η δυνατότητα εκτίμησης της Asat ορισμένων μεσογειακών φυτών μέσω της ανάλυσης της ταχείας φάσης ανόδου του φθορισμού της χλωροφύλλης (JIP-test). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια είδη Malva sylvestris και Capparis spinosa, το φυλλοβόλο είδος Cercis siliquastrum, το ημιφυλλοβόλο είδος Phlomis fruticosa, και τα σκληρόφυλλα είδη Nerium oleander, Ceratonia siliqua και Ligustrum japonicum. Οι μετρήσεις της Asat πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση αναλυτή αερίων ανοικτού τύπου (LI-6400, LICOR), ενώ για τη μέτρηση της ταχείας φάσης ανόδου του φθορισμού χρησιμοποιήθηκε φθορισμόμετρο υψηλής χρονικής ανάλυσης (HandyPEA, Hansatech). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε εποχιακή βάση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων μας, δεν βρέθηκε κάποια παράμετρος του JIP-test που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γενικευμένος δείκτης της Asat, αντίθετα η Asat εμφάνισε πολύ καλή συσχέτιση με τη στοματική αγωγιμότητα. Εντούτοις, στα σκληρόφυλλα είδη και το ημιφυλλοβόλο είδος βρέθηκε καλή συσχέτιση μεταξύ της Asat και των δεικτών ψΕ0, δR0 και φR0 για τα χειμερινή ομάδα μετρήσεων. Η δυσμενέστερη περίοδος για τα πολυετή είδη φαίνεται πως είναι το καλοκαίρι. Τέλος, ο δείκτης VK/VJ μπορεί να υποδείξει τις κύριες καταπονητικές περιόδους. / The evaluation of the productivity of terrestrial ecosystems presupposes the creation of reliable productivity models. The productivity models are supplied with a series of biotic (photosynthetic rate, chlorophyll concentration, specific leaf mass) and abiotic parameters (temperature, light intensity, rainfall) of the plant species and of the environment. One of the most important biotic parameters is the maximum photosynthetic rate under saturated light intensities, under ambient CO2 concetration and under the prevailing temperatures (Asat). The measurement of Asat under field conditions using the traditional methods (gas analyzer) is a laborious and time consuming process. For this reason new methods of Asat calculation are suggested. In the present study the possibility of Asat estimation in some Mediterranean species with the use of the fast chlorophyll fluorescence transient (JIP-test) has been examined. For this purpose, the annual species Malva sylvestris and Capparis spinosa, the deciduous species Cercis siliquastrum, the semi-deciduous species Phlomis fruticosa, and the sclerophyllous species Nerium oleander, Ceratonia siliqua και Ligustrum japonicum have been used. The Asat measurements have been carried out with the use of an open gas exchange analyzer (LI-6400, LICOR), while for the measurement of the fast chlorophyll fluorescence transient a high-time resolution fluorometer (HandyPEA, Hansatech) has been used. The measurements were carried out on a seasonal basis. According to the results of our experiments, no JIP-test parameter has shown to act as a generalized index of Asat, while Asat has shown a very good correlation with stomatal conductance. However, at the sclerophyllous and the semi-deciduous species, a good correlation between Asat and ψΕ0, δR0 και φR0 indices has been shown for the winter team. The most adverse period of the year for the perennial species is summer. Finally, VK/VJ index is indicative of the most stressful periods for our species.

Η υδατική καταπόνηση αποτελεί έναν από τους κυριότερους περιβαλλοντικούς παράγοντες περιορισμού της φυτικής ανάπτυξης και απόδοσης στα ξηρά και ημίξηρα οικοσυστήματα, συμπεριλαμβανομένων κι αυτών με μεσογειακού τύπου κλίμα. Σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η εκτίμηση των επιδράσεων της υδατικής καταπόνησης στη φωτοχημική ικανότητα του PSII και τις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης, σε τυπικά μεσογειακά είδη. Η υδατική καταπόνηση επιτεύχθηκε τόσο εργαστηριακά εντός διαστήματος λίγων ωρών, όσο και σε ημι-φυσικές συνθήκες περιβάλλοντος σε διάστημα περίπου δύο εβδομάδων. Μετά τις δύο εβδομάδες τα φυτά επανυδατώθηκαν, με στόχο την εκτίμηση της ικανότητας ανάκαμψης από το έντονο υδατικό stress. Η ανάλυση της κινητικής της επαγωγής του φθορισμού της χλωροφύλλης a μέσω του JIP-test αποκάλυψε την άμεση επίδραση της έλλειψης νερού στη ροή των ηλεκτρονίων, όπως αυτή εκφράζεται από τις παραμέτρους ψΕο, φΕο, δRo και φRo. Επιπλέον, παρατηρήθηκε αρνητική συσχέτιση του δείκτη RWC με το συνολικό απόθεμα των ενεργών κέντρων του PSI και τους τελικούς υποδοχείς του PSI, καθώς και με τους δείκτες φωτοσυνθετικής απόδοσης PIABS & PItotal. Η μέγιστη φωτοχημική ικανότητα του PSII, φPo(=Fv/Fm) μειώθηκε μόνο σε πολύ χαμηλές τιμές RWC στις εργαστηριακές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, ενώ στις ημι-φυσικές συνθήκες η μείωση του φPo την δεύτερη εβδομάδα της υδατικής καταπόνησης συνοδεύτηκε από αυξημένη θερμική απόσβεση της απορροφούμενης ενέργειας διεγέρσεως. Η ανάπτυξη του υδατικού stress σε ημι-φυσικές συνθήκες οδήγησε επίσης στη μεταβολή των ειδικών ενεργειακών ροών ανά δραστικό ενεργό κέντρο του PSII, πιθανώς λόγω της μερικής αδρανοποίησης ενεργών κέντρων στις συνθήκες αυτές. Επιπλέον, καταγράφηκε αύξηση του φθορισμού στα 300 μsec (Σημείο Κ), ένα φαινόμενο που συνδέεται με καταστολή της λειτουργίας του συμπλόκου έκλυσης οξυγόνου. Οι εν λόγω μεταβολές δεν παρατηρήθηκαν στον ίδιο βαθμό στις εργαστηριακές μετρήσεις, γεγονός που πιθανώς οφείλεται στη σταδιακή ανάπτυξη της ξηρασίας και τη συνδυαστική δράση της έλλειψης νερού, της υψηλής θερμοκρασίας και των υψηλών εντάσεων φωτός κάτω από φυσικές συνθήκες περιβάλλοντος. Από την πρώτη κιόλας ημέρα μετά την επανυδάτωση των φυτών, όλες οι παράμετροι του JIP-test άρχισαν να επανακάμπτουν. Ωστόσο, εντοπίστηκαν διαφορές στην ταχύτητα επαναφοράς μεταξύ των διαφορετικών ειδών. Συνολικά, τα ευρήματα μας υποδεικνύουν καταστολή των φωτεινών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης σε συνθήκες υδατικής καταπόνησης, μεταβολή η οποία αντιστράφηκε γρήγορα στα πειράματά μας. Θα μπορούσε λοιπόν, να θεωρηθεί ως ένας μηχανισμός προσαρμογής που εξασφαλίζει στα μεσογειακά είδη που μελετήθηκαν την διατήρηση της λειτουργικότητας της φωτοσυνθετικής συσκευής, ακόμη και σε συνθήκες έντονης υδατικής καταπόνησης. / Water stress is one of the most important environmental factors limiting plant growth and yield in arid and semi-arid ecosystems, including those with Mediterranean climate. The objective of this study was to evaluate the effects of water stress on the photosynthetic capacity of PSII and on the light reactions of photosynthesis of typical Mediterranean species. Water stress experiments were conducted both under laboratory conditions, through dehydration of leaf-disks within hours and under semi-natural conditions by withholding water for about two weeks. Drought period was followed by six days of re-watering, in order to assess the recovery of the photosynthetic apparatus. Analysis of the polyphasic OJIP fluorescence transient through JIP-test, revealed direct limitations in electron transport, as expressed by the parameters ψΕο, φΕο, δRo and φRo. Furthermore, a negative correlation was found between RWC and the pool of the RCs of PSI, the pool of electron end-acceptors, and the photosynthetic efficiency, as expressed by the parameters PIABS & PItotal. The maximum quantum yield of primary photochemistry φPο (=Fv/Fm) was affected only under very low RWC values during the laboratory experiments. On the other hand, a reduction was found during the second week of drought stress treatment, along with an increased conversion rate of absorbed light into thermal energy. Under semi-natural conditions, water stress also caused a shift in the specific energy flows per RC of PSII, caused possibly by inactivation of RCs. Moreover, there was an increase in fluorescence intensity at 300 microseconds (K-band), a phenomenon associated with inhibition of the oxygen evolving complex. These alterations were not observed to the same extent in the laboratory experiments, so they can be attributed to the gradual onset of drought and the combined effect of dehydration, high temperature and high light intensities under natural conditions. Within one day after rehydration, all the parameters of the JIP-test began to recover. However, differences in the recovery rate were observed between different species. In conclusion, our findings indicate down-regulation of light reactions of photosynthesis under water stress. This phenomenon was quickly reversed in our experiments. Therefore, it could be regarded as an adaptive response, which maintains the functionality of the photosynthetic apparatus of the Mediterranean species studied, even under severe water deficit.

The current study focuses on the phenomenon, mostly accounted within the past recent time, of the algae blooms (chlorophyll burst) in the area of the North Aegean Sea. The study attempts to coincide and amplify the approach of Satellite Remote Sensing monitoring, as means of applied oceanographic methods, in order for possible seasonal, spatio-temporal trends of this phenomenon to be identified, thus making the correlation of the indices-variations, though interdisciplinary, to be explained to an extend plainly, in terms of ‘why’ and ‘why-then’ they occur. The North Aegean Sea is directly influenced by the outflow of the Black Sea water masses, through the Dardanelles Strait. Secondary, riverine discharge is into account, along with special hydrodynamic characteristics of the basin. This Black Sea contribution to the North Aegean basin is cold, brackish and rather rich in biomass and nutrients and via the eutrophic blooms, fluctuate the relative meso-poor nutrient character of the basin. The environmental impacts and causes of the occurrences have a multidisciplinary analysis. They affect local ecology systems, water quality, coastal regions, the ichtyo-stock, the eco-balance on food-dependable species and ultimately the human health. The current study leans emphasis on the meteorological-oceanographic analysis for the algae blooms in the North Aegean Sea, depending on the use of satellite derived data and optical color imaginary, concerning the area under study. The preliminary concern, along with secondary conclusions, among the variable instability of the local biogeochemical recycling of the phenomenon, the prolonged temporal time of its dispersion and its correlation with surface winds and meteo-characteristics, was verified. Data from Giovanni, that is a Web-based application developed by the GES DISC (Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center) Interactive Online Visualization ANd aNalysis Infrastructure-NASA, where used for the analysis, in order for possible correlations between oceanographic and meteorological variables to be identified, such as: Chlorophyll-a concentrations, Precipitations rates, Euphotic Zone Depth, Colored Dissolved Organic Matter, Absorption coefficient for phytoplankton, Sea Level Pressure, Surface Pressure and Northwards wind component. / --

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.