Cum se aprovizionează plantele cu fier - Raportul inovațiilor
Plante (cress) pe sol alcalin cu un pH de 7,7. La plantele de tip sălbatic stâng, la dreapta mutanții care, din cauza unui defect genetic, nu pot sintetiza cumarine. Foto: Catedra de fiziologie a plantelor, Universitatea din Bayreuth; Gratuit pentru publicare, cu condiția menționării sursei.
Fierul este esențial pentru procesele metabolice vitale în aproape toate ființele vii. La om, deficitul de fier dăunează în special formării de sânge. Deoarece alimentele vegetale conțin adesea prea puțin fier, estimările actuale sugerează că aproximativ 30% din populația lumii suferă de anemie mai mult sau mai puțin severă.
De aceea, există un mare interes la nivel mondial pentru creșterea și cultivarea plantelor care stochează o proporție ridicată de fier în componentele lor comestibile - în așa fel încât fierul să poată fi absorbit și procesat de organismul uman. „Biofortificarea” este scopul unui domeniu de cercetare încă tânăr, care are ca scop creșterea sistematică a proporției de minerale vitale, cum ar fi fierul sau zincul din plante.
Niveluri excesive de pH în sol: un obstacol în calea absorbției fierului
Fierul este un mineral care apare în mod deosebit în sol. Cu toate acestea, de regulă, este un component al oxizilor de fier și, prin urmare, este puțin solubil, astfel încât nu poate fi absorbit direct de rădăcinile plantelor. Cât de bine fierul din sol este disponibil pentru plante depinde deci în mod crucial de valoarea respectivă a pH-ului solului.
Cu cât pH-ul este mai mare, cu atât sunt mai puțin favorabile condițiile pentru absorbția fierului. La nivel mondial, valoarea pH-ului este acum prea mare pe aproximativ 30 la sută din suprafețele utilizabile în agricultură, astfel încât aici productivitatea agricolă este limitată de deficiența de fier.
În principiu, cercetarea face distincție între două strategii cu care plantele reușesc încă să obțină suficient fier. Pentru plantele care nu sunt ierburi, această strategie constă în trei etape: În primul rând, rădăcinile lor secretă substanțe care cresc aciditatea solului și, astfel, scad valoarea pH-ului acestuia.
Într-o etapă suplimentară, ca urmare a acidității crescute în sol, oxizii de fier sunt dizolvați pe suprafața rădăcinilor plantei și transformați în fier bivalent. Abia acum plantele sunt capabile să absoarbă fierul și să-și aprovizioneze celulele cu el. „Doar atunci când această strategie va fi clarificată în detaliu va reuși într-o bună zi creșterea țintită a plantelor care absorb și stochează cât mai mult fier din sol”, explică prof. Stephan Clemens, care deține catedra de fiziologie a plantelor la Universitatea din Bayreuth.
Analize comparative ale produselor metabolice
Un interes deosebit pentru cercetare sunt substanțele care asigură aprovizionarea plantelor cu minerale chiar și atunci când absorbția din sol este dificilă. Există astfel de substanțe?
Pentru a putea răspunde la această întrebare, grupul de cercetare Bayreuth condus de prof. Clemens a ales o abordare de cercetare care se concentrează pe produsele metabolice ale plantelor. Oamenii de știință au efectuat analize metabolomice comparative asupra rădăcinilor creștilor (Arabidopsis thaliana), care este adesea utilizată ca „plantă model” în cercetarea fiziologică a plantelor.
Au fost înregistrate cât mai multe procese și substanțe implicate în metabolism - în special produsele intermediare și finale ale metabolismului -. În primul rând, au fost examinate rădăcinile plantelor care erau bine aprovizionate cu fier. Au urmat plante care au fost expuse unui fluid nutritiv fără fier. În cele din urmă, analiza metabolomică sa concentrat asupra plantelor care trebuiau să supraviețuiască într-un fluid nutritiv care conține fier, cu o valoare pH ridicată.
Cumarine: substanțe cheie pentru echilibrul de fier al plantelor
Plantele, cărora le-a fost greu să absoarbă fierul ca urmare a valorii excesive a pH-ului, au format o cantitate vizibil de mare de cumarine în rădăcinile lor; mult mai mult decât celelalte plante care erau aprovizionate în mod optim sau deloc cu fier. Skopoletinul în special a fost găsit foarte frecvent în rădăcinile plantelor. Cumarinele sunt arome care aparțin clasei de fenoli și sunt utilizate, de exemplu, în industria alimentară ca potențatori aromatici.
Investigațiile asupra mutanților speciali ai creșterii frunzelor ar trebui să urmeze aceste descoperiri pentru a arăta dacă cumarinele sunt cu adevărat importante pentru nutriția cu fier a plantelor. La mutanți, formarea cumarinei a fost perturbată din cauza unui defect genetic. De fapt, s-a constatat că sunt incapabili să absoarbă fierul conținut în soluția nutritivă cu pH ridicat; numai nutrienții suplimentari care conțin fier ar putea asigura supraviețuirea lor.
Mutanții nu pot crește pe soluri alcaline. În acest context, s-a dovedit că plantele cu sinteză cumarină netulburată pot „salva” astfel de mutanți dacă se află în imediata apropiere. Cumarinele eliberate prin intermediul sistemului radicular pun, de asemenea, fierul la dispoziția vecinilor cu defecte genetice.
„Cercetările efectuate la diferite institute au arătat recent că fenolii secretați de rădăcini joacă un rol central în echilibrul mineral al plantelor", explică prof. Clemens. „Investigațiile metabolomice pe care le-am efectuat aici, în Bayreuth, au fost acum capabile să detecteze substanțele active. dovedește în mod clar - și pentru că am putut analiza multe dintre produsele metabolice din zona rădăcinii. Descoperirile noastre reprezintă un punct de plecare foarte interesant pentru creșterea și cultivarea plantelor utile care contracarează deficiența mondială de fier și pot crește productivitatea pe soluri cu o valoare prea mare a pH-ului. "
Metabolomica - un domeniu promițător de cercetare
Analizele metabolomice și evaluarea lor detaliată sunt rezultatul unei strânse colaborări interdisciplinare între biologi și chimiști din campusul Bayreuth. Nu ar fi fost posibile fără tehnologiile de cercetare utilizate, în special cromatografia gazoasă cu cuplare cu spectrometrie de masă (GC-MS) și spectrometria de masă cu timp de zbor cuplat cu cromatografie lichidă (UPLC-ESI-QTOF-MS).
„Metabolomica poate face multe pentru a explica procesele prin care plantele se afirmă în mediul lor și poate ajuta la caracterizarea constituenților plantelor. Vrem să continuăm să folosim metode metabolomice la Universitatea din Bayreuth pentru a dobândi noi cunoștințe despre compoziția alimentelor pe bază de plante ”, a spus prof. Clemens.