Как растенията се снабдяват с желязо - Доклад за иновациите
Растения (кресон) в алкална почва с рН 7,7. Вляво от растения от див тип, вдясно мутантите, които поради генетичен дефект не могат да синтезират кумарини. Снимка: Катедра по физиология на растенията, Университет в Байройт; Безплатно за публикуване, при условие че източникът е признат.
Желязото е необходимо за жизненоважни метаболитни процеси в почти всички живи същества. При хората дефицитът на желязо уврежда особено кръвообразуването. Тъй като растителните храни често съдържат твърде малко желязо, съвременните оценки показват, че около 30% от населението на света страда от повече или по-малко изразена анемия.
Ето защо в световен мащаб има голям интерес към отглеждането и отглеждането на растения, които съхраняват висок дял желязо в техните годни за консумация компоненти - по такъв начин, че желязото да може да бъде усвоено и преработено от човешкия организъм. „Биофортификацията“ е целта на все още младата област на изследване, която има за цел систематично да увеличава дела на жизненоважни минерали като желязо или цинк в растенията.
Прекомерните нива на pH в почвата: пречка за усвояването на желязото
Желязото е минерал, който се среща особено често в земята. По правило обаче той е компонент на железните оксиди и следователно е слабо разтворим, така че не може да се абсорбира директно от корените на растенията. Следователно доколко желязото в почвата е достъпно за растенията, следователно зависи решаващо от съответната стойност на pH на почвата.
Колкото по-високо е рН, толкова по-неблагоприятни са условията за усвояване на желязото. В световен мащаб стойността на pH сега е твърде висока на около 30% от използваните в селското стопанство площи, така че тук селскостопанската производителност е ограничена от дефицит на желязо.
По принцип изследванията разграничават две стратегии, с които растенията все пак успяват да получат достатъчно желязо. За растения, които не са треви, тази стратегия се състои от три стъпки: Първо, техните корени отделят вещества, които повишават киселинността на почвата и по този начин понижават стойността на рН.
В следващ етап, в резултат на повишената киселинност в почвата, железните оксиди се разтварят на повърхността на корените на растението и се превръщат в двувалентно желязо. Едва сега растенията могат да абсорбират желязото и да снабдяват клетките си с него. „Само когато тази стратегия бъде изяснена подробно, един ден ще може да успее в целенасоченото отглеждане на растения, които абсорбират и съхраняват възможно най-много желязо от почвата“, обяснява проф. Стефан Клеменс, който е председател на катедрата по физиология на растенията в университета в Байройт.
Сравнителни анализи на метаболитни продукти
От особен интерес за изследванията са вещества, които гарантират, че растенията се снабдяват с минерали, дори когато абсорбцията от почвата е трудна. Има ли такива вещества?
За да може да отговори на този въпрос, изследователската група на Байройт, оглавявана от проф. Клеменс, е избрала изследователски подход, който се фокусира върху метаболитните продукти на растенията. Учените извършиха сравнителни метаболомични анализи върху корените на граховия крес (Arabidopsis thaliana), който сега често се използва като „модел на растение“ във физиологичните изследвания на растенията.
Записани са възможно най-много от процесите и веществата, участващи в метаболизма - особено междинните и крайните продукти на метаболизма. Първо бяха изследвани корените на растенията, които бяха добре снабдени с желязо. Следваха растения, които бяха изложени на хранителна течност без желязо. И накрая, метаболомичният анализ се фокусира върху растенията, които трябва да оцелеят в съдържаща желязо хранителна течност с висока стойност на рН.
Кумарини: ключови вещества за железния баланс на растенията
Растенията, които трудно усвояват желязото в резултат на прекомерната стойност на рН, образуват в корените си значително количество кумарини; много повече от другите растения, които са били оптимално или изобщо не са били снабдени с желязо. По-специално скополетинът се открива много често в корените на растенията. Кумарините са ароматизанти, които принадлежат към класа на фенолите и се използват например в хранителната промишленост като подобрители на аромата.
Изследванията върху специални мутанти на шушулката трябва да продължат тези открития, за да покажат дали кумарините са наистина важни за храненето на желязото с растенията. При мутантите образуването на кумарини е нарушено поради генетичен дефект. Всъщност беше установено, че те не са в състояние да абсорбират желязото, съдържащо се в хранителния разтвор с високо рН; само допълнителни хранителни вещества, съдържащи желязо, биха могли да осигурят оцеляването им.
Мутантите не могат да растат на алкални почви. В този контекст се оказа, че растенията с ненарушен синтез на кумарин могат да „спасят“ такива мутанти, ако са в непосредствена близост. Кумарините, освободени чрез кореновата система, също правят желязото достъпно за генетично дефектните съседи.
„Изследванията в различни институти наскоро показаха, че фенолите, секретирани от корените, играят централна роля в минералния баланс на растенията“, обяснява проф. Клеменс ясно доказваме - също и защото успяхме да анализираме много от метаболитните продукти в кореновата област. Нашите открития са много интересна отправна точка за отглеждането и отглеждането на култури, които противодействат на световния дефицит на желязо и могат да увеличат производителността на почви с твърде висока стойност на pH. "
Метаболомика - обещаваща област на изследване
Метаболомичните анализи и тяхната подробна оценка са резултат от тясното интердисциплинарно сътрудничество между биолози и химици в кампуса на Байройт. Те не биха били възможни без използваните изследователски технологии, по-специално газова хроматография с масспектрометрично свързване (GC-MS) и свързана с течна хроматография време-полетна масспектрометрия (UPLC-ESI-QTOF-MS).
„Метаболомиката може много да обясни процесите, чрез които растенията се утвърждават в заобикалящата ги среда, и може да помогне да се характеризират съставните части на растенията. Искаме да продължим да използваме метаболомични методи в университета в Байройт, за да получим нови знания за състава на растителните храни “, каза проф. Клеменс.