Hogyan látják el a növények a vasat - Innovációs jelentés
Növények (zsázsa) lúgos talajon, pH 7,7. A bal oldalon vad típusú növények, a jobb oldalon azok a mutánsok, amelyek genetikai hiba miatt nem képesek szintetizálni a kumarint. Fotó: Bayreuthi Egyetem növényfiziológiai tanszék; Ingyenes közzététel, feltéve, hogy a forrást megismerték.
A vas szinte minden élőlényben nélkülözhetetlen a létfontosságú anyagcsere-folyamatokhoz. Emberekben a vashiány különösen károsítja a vérképzést. Mivel a növényi ételek gyakran túl kevés vasat tartalmaznak, a jelenlegi becslések szerint a világ népességének körülbelül 30 százaléka szenved többé-kevésbé súlyos vérszegénységben.
Éppen ezért világszerte nagy az érdeklődés olyan növények nemesítése és termesztése iránt, amelyek ehető alkotórészeikben nagy mennyiségű vasat tárolnak - oly módon, hogy a vasat az emberi szervezet felszívja és feldolgozza. A „biotermesztés” egy még fiatal kutatási terület célja, amelynek célja a létfontosságú ásványi anyagok, például a vas vagy a cink arányának növelése a növényekben.
Túlzott pH-érték a talajban: akadály a vas felszívódásában
A vas olyan ásványi anyag, amely különösen gyakran fordul elő a talajban. Rendszerint azonban a vas-oxidok alkotóeleme, ezért nehezen oldódik, így a növények gyökerei nem képesek közvetlenül felszívódni. Az, hogy a talajban lévő vas mennyire elérhető a növények számára, döntően a talaj pH-értékétől függ.
Minél magasabb a pH, annál kevésbé kedveznek a vas felszívódásának feltételei. Világszerte a pH értéke a mezőgazdaságilag hasznosítható területek körülbelül 30 százalékán túl magas, így itt a mezőgazdasági termelékenységet korlátozza a vashiány.
Elvileg a kutatás két stratégiát különböztet meg, amelyekkel a növényeknek még mindig elegendő vashoz jutnak. A nem füves növények esetében ez a stratégia három lépésből áll: Először is, gyökereik olyan anyagokat választanak ki, amelyek növelik a talaj savasságát, és így csökkentik annak pH-értékét.
Egy további lépésben a megnövekedett savtartalom következtében a vas-oxidok feloldódnak a növényi gyökerek felületén, és kétértékű vasakká alakulnak. A növények csak most képesek felszívni a vasat és ellátni vele sejtjeiket. "Csak akkor, ha ezt a stratégiát részletesen tisztázzák, egyszer sikerül a növények célzott tenyésztése, amelyek a talajból a lehető legtöbb vasat szívják fel és tárolják" - magyarázza Prof. Dr. Stephan Clemens, aki a Bayreuthi Egyetem növényfiziológiai tanszékét tölti be.
A metabolikus termékek összehasonlító elemzése
A kutatás szempontjából különösen érdekesek azok az anyagok, amelyek biztosítják a növények ásványi anyagokkal való ellátását akkor is, ha a talajból történő felszívódás nehéz. Vannak ilyen anyagok?
Ennek a kérdésnek a megválaszolása érdekében a professzor Clemens által vezetett Bayreuth kutatócsoport olyan kutatási megközelítést választott, amely a növények metabolikus termékeire összpontosít. A tudósok összehasonlító metabolomikai elemzéseket hajtottak végre a hüvelyes zsázsa (Arabidopsis thaliana) gyökerein, amelyet a növényfiziológiai kutatások során gyakran „modellnövényként” használnak.
A metabolizmusban részt vevő lehető legtöbb folyamatot és anyagot - különösen az anyagcsere köztes és végtermékeit - rögzítették. Először azoknak a növényeknek a gyökereit vizsgálták, amelyek jól voltak ellátva vasalattal. Következtek olyan növények, amelyek vas nélkül voltak tápoldatban. Végül a metabolomanalízis azokra a növényekre összpontosított, amelyeknek magas pH-értékű vas-tartalmú tápfolyadékban kellett életben maradniuk.
Kumarinok: kulcsfontosságú anyagok a növények vasmérlegében
Azok a növények, amelyeknek a túlzott pH-érték miatt nehéz volt a vas felszívódása, gyökereikben feltűnően nagy mennyiségű kumarin képződött; sokkal többet, mint a többi növény, amelyet optimálisan vagy egyáltalán nem láttak el vasal. Különösen a szkopoletint találták nagyon gyakran a növényi gyökerekben. A kumarinok a fenolok osztályába tartozó aromák, amelyeket például az élelmiszeriparban aromás fokozóként használnak.
A leveles zsázsa speciális mutánsaival végzett vizsgálatoknak ezeket a megállapításokat kell követniük annak igazolására, hogy a kumarinok valóban fontosak-e a növények vas-táplálkozásában. A mutánsokban a kumarinok képződése genetikai hiba miatt zavart volt. Valójában azt találták, hogy képtelenek elnyelni a magas pH-értékű tápoldatban lévő vasat; csak további vas-tartalmú tápanyagok biztosíthatják túlélésüket.
A mutánsok nem növekedhetnek lúgos talajon. Ebben az összefüggésben kiderült, hogy a zavartalan kumarinszintézissel rendelkező növények „megmenthetik” az ilyen mutánsokat, ha azok közvetlen közelében vannak. A gyökérzeten keresztül felszabaduló kumarinok a vasat a genetikailag hibás szomszédok számára is elérhetővé teszik.
"Különböző intézetekben végzett kutatómunka a közelmúltban kimutatta, hogy a gyökerek által kiválasztott fenolok központi szerepet játszanak a növényi ásványi anyag egyensúlyban" - magyarázza Prof. Clemens. "Azok a metabolomikai vizsgálatok, amelyeket itt Bayreuth-ban végeztünk, képesek voltak kimutatni a hatóanyagokat. egyértelműen bizonyítani - azért is, mert sok gyökérterületen lévő anyagcsere-terméket elemezni tudtunk. Megállapításaink nagyon érdekes kiindulópontot jelentenek a hasznos növények nemesítéséhez és termesztéséhez, amelyek ellensúlyozzák a világszerte tapasztalható vashiányt és növelhetik a termelékenységet a túl magas pH-értékű talajokon. "
Metabolomics - ígéretes kutatási terület
A metabolomikus elemzések és azok részletes értékelése a Bayreuth-campus biológusai és kémikusai közötti szoros interdiszciplináris együttműködés eredménye. Nem lettek volna lehetségesek az alkalmazott kutatási technológiák nélkül, különösen a gázkromatográfia tömegspektrometriás csatolással (GC-MS) és a folyadékkromatográfiával kapcsolt repülési idő tömegspektrometria (UPLC-ESI-QTOF-MS) nélkül.
„Az anyagcsere sokat tud magyarázni azokról a folyamatokról, amelyek révén a növények érvényesülnek a környezetükben, és ez segíthet a növények alkotóelemeinek jellemzésében. Tovább akarjuk folytatni a metabolomikus módszerek alkalmazását a Bayreuthi Egyetemen, hogy új ismereteket szerezzünk a növényi eredetű ételek összetételéről. ”- mondta Prof. Clemens.