Як рослини забезпечують себе залізом - звіт про інновації
Рослини (кресон) на лужному грунті з рН 7,7. Зліва рослини дикого типу, праворуч мутанти, які не здатні синтезувати кумарини через генетичний дефект. Фото: кафедра фізіології рослин Байройтського університету; Безкоштовна для публікації за умови визнання джерела.
Залізо необхідне для життєво важливих обмінних процесів майже у всьому живому. У людей дефіцит заліза особливо пошкоджує кровотворення. Оскільки рослинна їжа часто містить занадто мало заліза, сучасні підрахунки свідчать про те, що близько 30 відсотків населення світу страждає від більш-менш важкої анемії.
Ось чому у всьому світі існує великий інтерес до розведення та вирощування рослин, які зберігають велику частку заліза в їх їстівних компонентах - таким чином, що залізо може засвоюватися та перероблятися організмом людини. “Біофортифікація” - мета ще молодої галузі досліджень, яка спрямована на систематичне збільшення частки життєво важливих мінералів, таких як залізо або цинк, у рослинах.
Надмірний рівень рН у ґрунті: перешкода для поглинання заліза
Залізо - мінерал, який особливо часто зустрічається в землі. Однак, як правило, він є компонентом оксидів заліза, і тому його важко розчинити, так що він не може засвоюватися безпосередньо корінням рослин. Отже, наскільки залізо в ґрунті доступне для рослин, отже, вирішальним чином залежить від відповідного значення рН ґрунту.
Чим вищий рН, тим менш сприятливі умови для поглинання заліза. У всьому світі значення рН зараз занадто високо на приблизно 30 відсотках придатних для сільського господарства площ, так що тут продуктивність сільського господарства обмежується дефіцитом заліза.
В принципі, дослідження розрізняють дві стратегії, за допомогою яких рослини все ще встигають отримувати достатню кількість заліза. У випадку з рослинами, які не є травами, ця стратегія складається з трьох етапів: По-перше, їх коріння виділяють речовини, що підвищують кислотність у ґрунті і, таким чином, знижують значення рН.
На наступному етапі через підвищену кислотність у ґрунті оксиди заліза розчиняються на поверхні коренів рослини та перетворюються на двовалентне залізо. Тільки зараз рослини здатні поглинати залізо і забезпечувати його клітини. "Лише якщо ця стратегія буде детально роз'яснена, одного разу ми зможемо досягти успіху в цільовому розведенні рослин, які поглинають і зберігають із ґрунту якомога більше заліза", - пояснює проф. Д-р. Стефан Клеменс, який займає кафедру фізіології рослин в Університеті Байройта.
Порівняльний аналіз продуктів метаболізму
Особливий інтерес для досліджень становлять речовини, що забезпечують забезпечення рослин мінералами навіть тоді, коли поглинання з ґрунту утруднене. Чи є такі речовини?
Для того, щоб мати можливість відповісти на це питання, дослідницька група Байройта, очолювана професором Клеменсом, обрала дослідницький підхід, який зосереджений на продуктах обміну речовин рослин. Вчені провели порівняльний метаболомічний аналіз коріння стручка (Arabidopsis thaliana), який часто використовується як "модель рослини" у фізіологічних дослідженнях рослин.
Було зафіксовано якомога більше процесів та речовин, що беруть участь в обміні речовин - особливо проміжних та кінцевих продуктів обміну речовин. Спочатку досліджували коріння рослин, які були добре забезпечені залізом. Потім рослини, які піддавалися дії поживної рідини без заліза. Нарешті, метаболічний аналіз був зосереджений на рослинах, яким довелося вижити в залізовмісній поживній рідині з високим значенням рН.
Кумарини: ключові речовини для залізового балансу рослин
Рослини, яким було важко засвоїти залізо внаслідок надмірного значення рН, утворили у своїх коренях помітно велику кількість кумаринів; набагато більше, ніж інші рослини, які оптимально або зовсім не забезпечувались залізом. Зокрема, скополетин дуже часто виявлявся в коренях рослин. Кумарини - це ароматизатори, що належать до класу фенолів і використовуються, наприклад, у харчовій промисловості як підсилювачі ароматичних речовин.
Дослідження спеціальних мутантів листового кресу повинні слідувати цим висновкам, щоб показати, чи кумарини дійсно важливі для живлення рослин залізом. У мутантів утворення кумаринів було порушене через генетичний дефект. Насправді було виявлено, що вони не здатні поглинати залізо, що міститься в поживному розчині з високим рН; лише додаткові поживні речовини, що містять залізо, могли забезпечити їх виживання.
Мутанти не можуть рости на лужних ґрунтах. У цьому контексті виявилося, що рослини з не порушеним синтезом кумарину можуть «врятувати» таких мутантів, якщо вони знаходяться в безпосередній близькості. Кумарини, що виділяються через кореневу систему, також роблять залізо доступним для генетично дефектних сусідів.
"Дослідницькі роботи в різних інститутах нещодавно показали, що феноли, що виділяються корінням, відіграють центральну роль у мінеральному балансі рослин", - пояснює проф. Клеменс чітко довести - ще й тому, що ми змогли проаналізувати багато продуктів метаболізму в кореневій області. Наші висновки є дуже цікавою відправною точкою для розведення та вирощування корисних рослин, які протидіють світовому дефіциту заліза та можуть збільшити продуктивність на ґрунтах із занадто високим значенням рН ".
Метаболоміка - перспективна область досліджень
Метаболомічний аналіз та їх детальна оцінка є результатом тісної міждисциплінарної співпраці між біологами та хіміками в кампусі Байройта. Вони не були б можливими без використовуваних дослідницьких технологій, зокрема газової хроматографії з муфтоспектрометричною муфтою (GC-MS) та рідинної хроматографії, пов'язаної з часом масової спектрометрії (UPLC-ESI-QTOF-MS).
«Метаболоміка може багато чого пояснити процесам, за допомогою яких рослини утверджуються у своєму середовищі, і це може допомогти в характеристиці складових рослин. Ми хочемо продовжувати використовувати метаболомічні процеси в Університеті Байройта, щоб отримати нові знання про склад харчових продуктів на рослинній основі », - сказав професор Клеменс.