Ako sa rastliny zásobujú železom - správa o inováciách
Rastliny (žerucha) na zásaditej pôde s pH 7,7. Vľavo rastliny divokého typu, vpravo mutanti, ktorí kvôli genetickému defektu nie sú schopní syntetizovať kumaríny. Foto: predseda fyziológie rastlín, univerzita v Bayreuthe; Zadarmo na zverejnenie, ak bude uvedený zdroj.
Železo je nevyhnutné pre životne dôležité metabolické procesy takmer vo všetkom živom. U ľudí nedostatok železa obzvlášť poškodzuje krvotvorbu. Pretože zeleninové jedlá často obsahujú príliš málo železa, súčasné odhady naznačujú, že asi 30 percent svetovej populácie trpí viac alebo menej závažnou anémiou.
Preto je na celom svete veľký záujem o šľachtenie a kultiváciu rastlín, ktoré uchovávajú vysoký podiel železa v jeho jedlých zložkách - takým spôsobom, aby bolo železo absorbované a spracované ľudským organizmom. „Biofortifikácia“ je cieľom stále mladej oblasti výskumu, ktorá sa zameriava na systematické zvyšovanie podielu životne dôležitých minerálov ako železo alebo zinok v rastlinách.
Nadmerné hodnoty pH v pôde: prekážka absorpcie železa
Železo je minerál, ktorý sa v pôde vyskytuje obzvlášť často. Spravidla je to však zložka oxidov železa, a preto sa ťažko rozpúšťa, takže nemôže byť absorbovaná priamo koreňmi rastlín. To, ako dobre je železo v pôde dostupné pre rastliny, preto zásadne závisí od príslušnej hodnoty pH pôdy.
Čím vyššie je pH, tým menej priaznivé sú podmienky pre absorpciu železa. Celosvetovo je hodnota pH na približne 30 percentách poľnohospodársky využiteľných plôch príliš vysoká, takže tu je produktivita poľnohospodárstva obmedzená nedostatkom železa.
Výskum v zásade rozlišuje medzi dvoma stratégiami, pomocou ktorých sa rastlinám stále darí prijímať dostatok železa. V prípade rastlín, ktoré nie sú trávami, táto stratégia pozostáva z troch krokov: Po prvé, ich korene vylučujú látky, ktoré zvyšujú kyslosť v pôde, a tým znižujú jej hodnotu pH.
V ďalšom kroku sa v dôsledku zvýšenej kyslosti v pôde oxidy železa rozpustia na povrchu koreňov rastlín a prevedú na dvojmocné železo. Až teraz sú rastliny schopné vstrebávať železo a dodávať mu svoje bunky. „Iba keď bude táto stratégia podrobne objasnená, jedného dňa bude úspešné cielené šľachtenie rastlín, ktoré absorbujú a ukladajú čo najviac železa z pôdy,“ vysvetľuje profesor Dr. Stephan Clemens, ktorý vedie katedru fyziológie rastlín na univerzite v Bayreuthe.
Porovnávacie analýzy metabolických produktov
Pre výskum sú obzvlášť zaujímavé látky, ktoré zabezpečujú zásobovanie rastlín minerálmi, aj keď je absorpcia z pôdy obtiažna. Existujú také látky?
Aby bolo možné odpovedať na túto otázku, výskumná skupina Bayreuth vedená profesorom Clemensom zvolila výskumný prístup zameraný na metabolické produkty rastlín. Vedci uskutočnili komparatívne metabolomické analýzy koreňov koreňa struku obyčajného (Arabidopsis thaliana), ktorý sa vo fyziologickom výskume rastlín často používa ako „modelová rastlina“.
Bolo zaznamenaných čo najviac procesov a látok podieľajúcich sa na metabolizme - najmä medziproduktov a konečných produktov metabolizmu. Najskôr sa preskúmali korene rastlín, ktoré boli dobre zásobené železom. Nasledovali rastliny, ktoré boli vystavené výživnej tekutine bez železa. Nakoniec sa metabolomická analýza zamerala na rastliny, ktoré museli prežiť v živnej tekutine obsahujúcej železo s vysokou hodnotou pH.
Kumaríny: kľúčové látky pre rovnováhu železa v rastlinách
Rastliny, pre ktoré bolo ťažké vstrebávať železo v dôsledku nadmernej hodnoty pH, vytvorili v koreňoch nápadne veľké množstvo kumarínov; oveľa viac ako iné závody, ktoré boli optimálne alebo vôbec zásobované železom. Najmä skopoletín sa veľmi často nachádzal v koreňoch rastlín. Kumaríny sú arómy, ktoré patria do triedy fenolov a používajú sa napríklad v potravinárskom priemysle ako látky zvyšujúce aromatiku.
Na tieto zistenia by malo nadviazať vyšetrenie špeciálnych mutantov skorocelu listového, aby sa preukázalo, či sú kumaríny skutočne dôležité pre výživu rastlín železom. U mutantov bola tvorba kumarínov narušená z dôvodu genetického defektu. V skutočnosti sa zistilo, že nie sú schopné absorbovať železo obsiahnuté v živnom roztoku s vysokým pH; iba ďalšie živiny obsahujúce železo mohli zabezpečiť ich prežitie.
Mutanti nemôžu rásť na alkalických pôdach. V tejto súvislosti sa ukázalo, že rastliny s nerušenou kumarínovou syntézou môžu také mutanty „zachrániť“, ak sú v bezprostrednej blízkosti. Kumaríny uvoľňované koreňovým systémom tiež sprístupňujú železo geneticky postihnutým susedom.
„Výskumné práce na rôznych ústavoch nedávno preukázali, že fenoly vylučované koreňmi hrajú ústrednú úlohu v minerálnej rovnováhe rastlín,“ vysvetľuje profesor Clemens. „Metabolomické štúdie, ktoré sme uskutočnili tu v Bayreuthe, teraz dokázali zistiť účinné látky. jasne dokázať - aj preto, že sme boli schopní analyzovať veľa metabolických produktov v koreňovej oblasti. Naše objavy sú veľmi zaujímavým východiskovým bodom pre šľachtenie a kultiváciu úžitkových rastlín, ktoré pôsobia proti celosvetovému nedostatku železa a môžu zvýšiť produktivitu na pôdach s príliš vysokou hodnotou pH. “
Metabolomika - perspektívna oblasť výskumu
Metabolomické analýzy a ich podrobné vyhodnotenie sú výsledkom úzkej interdisciplinárnej spolupráce medzi biológmi a chemikmi v areáli Bayreuth. Neboli by možné bez použitých výskumných technológií, najmä plynovej chromatografie s hmotnostnou spektrometriou (GC-MS) a hmotnostnej spektrometrie spojenej s kvapalinovou chromatografiou s časom letu (UPLC-ESI-QTOF-MS).
„Metabolológia môže veľa vysvetliť procesy, ktorými sa rastliny uplatňujú vo svojom prostredí, a môže pomôcť charakterizovať zložky rastlín. Na univerzite v Bayreuthe chceme pokračovať v používaní metabolomických metód, aby sme získali nové poznatky o zložení rastlinných potravín, “uviedol profesor Clemens.