Projekti / Programi
Raziskave ionoma kulturnih rastlin za pridelavo varne in kakovostne hrane
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.03.00 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B310 |
Biomedicinske vede |
Fiziologija žilnih rastlin |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 4.01 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijstvo, gozdarstvo in ribištvo |
mineralna hranila, železo, selen, ionom, metabolom
Raziskovalci (23)
Organizacije (3)
Povzetek
Več kot polovica svetovnega prebivalstva trpi zaradi pomanjkanja mineralnih elementov (ME) v prehrani, medtem ko obsežna uporaba umetnih gnojil skupaj z onesnaževanjem vodi do povečanih koncentracij potencialno nevarnih elementov (PNE) v kmetijskih rastlinah. Železo (Fe), cink (Zn), jod (I) in selen (Se) so ME, ki jih najpogosteje primanjkuje v prehrani, medtem ko povečane koncentracije kadmija (Cd) in živega srebra (Hg) v osnovnih živilih predstavljajo tveganje za zdravje ljudi in živali. Rešitev na osnovi pridelka, kot je biofortifikacija, predstavlja najbolj stroškovno učinkovito in trajnostno strategijo za zmanjšanje podhranjenosti z mineralnimi snovmi. ME/PNE določenega organizma predstavljajo anorgansko komponento v celicah, tkivih in organizmih, ki je opredeljena kot ionom. Namen projekta je povezati študije rastlinske ionomike in metabolomike, kar bo omogočilo, da bomo pridobili nov vpogled v mehanizme privzema, transporta, kopičenja in biorazpoložljivosti izbranih ME/PNE. Natančneje bomo v okviru projekta odgovorili na vprašanja, ki so razdeljena v dva delovna sklopa (DS). V DS1 se bomo ukvarjali z ionomiko in metabolomiko mutant z nizko vsebnostjo fitata (lpa) fižola (Phaseolus vulgaris) in koruze (Zea mays) s poudarkom na presnovi Fe na ravni organov, tkiv in celic. Nedavno je bilo ugotovljeno, da se v zrnih v lpa mutant, v primerjavi z divjimi tipi, nalaga manj fitata in več prostega fosforja (P) ter biorazpoložljivih kationov. Cilj prvega DS je tako povezati gensko ekspresijo dozdevnega Fe prenašalca in prenašalca, ki skrbi za transport fiatata v založne vakuole, s prostorsko razporeditvijo fitata in Fe ter speciacijo Fe v semenih lpa mutant. To bo vodilo do boljšega razumevanja prenosa in kopičenja Fe v odnosu do vsebnosti in razporeditve fitata, kar je bistvenega pomena za večjo biološko razpoložljivost Fe. Poleg tega bo povezava mineralnih in metabolnih profilov divjega tipa in lpa mutant zagotovila informacije o fenotipskih učinkih, ki jih povzroča mutacija genov povezanih s sintezo in transportom fitata, kar bo omogočilo izbor in vzgojo lpa rastlin z visoko vsebnostjo biološko razpoložljivih ME in dobrim agronomskim potencialom. V DS2 se bomo ukvarjali z učinki biofortifikacije izbranih kmetijskih rastlin s selenom, ugotavljali vpliv Se na privzem ME/PNE ter s pomočjo uporabe sistema mikro in mezokozmosa ter polža (Arion spp.) kot modelnega bioindikatorskega organizma preučili nadaljnji prenos ME/PNE po prehranjevalni verigi. Do sedaj se je dodajanje Se v obliki listnega škropljenja in talnega gnojenja izkazalo kot uspešno za povečanje koncentracije Se v užitnih delih posevkov. Vendar pa obstaja le malo informacij o presnovi različnih Se spojin v rastlinah in kako te Se spojine vplivajo na rastlinski ionom in metabolom ter posledično na prenos ME/PNE v prehranjevalno verigo. To znanje bi postavilo temelje za oblikovanje visoko kakovostnih s Se obogatenih kulturnih rastlin in pomagalo ovrednotiti varnost uporabe s Se obogatenih kulturnih rastlin v nizko do srednje onesnaženih okoljih. Raziskave obeh sklopov bodo vključevale visoko tehnološko metodologijo na osnovi rentgensko fluorescenčne in absorpcijske spektroskopije s sinhrotronsko svetlobo za določanje porazdelitve in vezavnih oblik Fe, Se in PNE ter masne spektroskopije kot npr. mega elektron voltne sekundarne ionske masne spektroskopije (MeV SIMS) za slikanje razporeditve organskih spojin v bioloških vzorcih na tkivni in celični ravni. V kombinaciji z mikro-PIXE za določanje razporeditve ME/PNE, bo možnost določanja prostorske porazdelitve biomolekul pomembno prispevala k boljšemu razumevanju povezav med ključnimi strukturnimi in funkcionalnimi biomolekulami ter razporejanjem mineralnih elementov na tkivni in celični ravni, kar predstavlja nove analizne in raziskovalne koncepte na področju biologije kmetijskih rastlin, katerih cilj je zagotoviti temeljno znanje za nadaljnjo biotehnološko in agronomsko uporabo.
Pomen za razvoj znanosti
V okviru projekta bomo pridobili nove vpoglede v metabolne poti Fe in fitata pri lpa mutantah in nove vpoglede v pleitropne efekte (ko se mutacija enega gena odraža v spremembah večih metabolnih poti), ki jih povzroča lpa mutacija. To novo znanje bo služilo kot osnova za za izdelavo smernic za izbiro genotipov z nizko stopnjo pleitropnih učinkov in vzgojo pridelkov z visoko vsebnostjo hranilnih snovi in z ugodnim agronomskim potencialom.
Študije interakcij med selenom in potencialno nevarnimi elementi bodo pripomogle k razumevanju vloge Se in Se spojin pri transportu Cd in Hg v rastlino in naprej po prehranjevalni verigi. Prav tako bomo ocenili stopnjo strupenosti Cd in Hg v prisotnosti Se in Se spojin. Znanje pridobljeno v okviru projekta nam bo predstavljalo osnovo pri izdelavi smernic gojenja kulturnih rastlin, obogatenih s Se, pri čemer bomo upoštevali tveganja, ki jih povzroča zmerna onesnaženost kmetijskih površin s izbranimi potencialno nevarnimi elementi. Omenjena tema je zelo pomembna, ker so v Sloveniji in nekaterih drugih državah v tleh koncentracije Se nižje, kot je potrebno za optimalno rast rastlin in za prehrano ljudi in živali, kar se kaže v številnih zdravstvenih težavah omenjenih populacij (npr. težave s ščitnico in kardiovaskularnim sistemom).
Interdisciplinarni pristopi z uporabo različnih spektroskopskih tehnik za slikanje porazdelitve elementov in določanje speciacije kovin so pogosti pri preučevanju materialov, ne pa tudi na področju biologije rastlin. Vzrok za to je pomanjkanje sodelovanja med znanstveniki z različnih področij (predvsem med biologi in fiziki). Za analize, ki vključujejo sinhrotronske tehnike in tehnike na osnovi elektrostatskega pospeševalnika, je potrebno obsežno znanje o pripravi bioloških vzorcev, postopkih merjenja in analizi podatkov, kar je mogoče le z interdisciplinarnim mreženjem. Raziskovalci v projektni skupini združeni v konzorcij AICO (www.aico.si), smo vodilni v svetu na področju raziskav kvantitativnega slikanja porazdelitve elementov v bioloških tkivih, saj smo razvili inovativne pristope pri pripravi vzorcev in pa programsko opremo za kvantitativno PIXE, LA-ICPMS in XRF analizo porazdelitvenih map. Člani projektne skupine imamo bogate izkušnje z uporabo sinhrotronskih tehnik tudi na drugih sinhrotronskih centrih v EU, saj smo do sedaj uspešno izvedli že več kot 20 eksperimentov na sinhrotronih ESRF, Elettra in DESY. Uporaba mikro-PIXE, LA-ICPMS, SR-mikro-XRF, mikro-XANES, FTIR, kot tudi MeV SIMS v okviru projekta bo omogočila povsem razvoj novih raziskovalnih pristopov na področju biologije rastlin, analizne kemije, biomedicine, živilske tehnologije in raziskav materialov. Pridobljeni visoko kakovostni podatki, ki bodo prosto dostopni preko v okviru projekta izdelane spletne strani in pa preko drugih publikacij, bodo v veliko pomoč pri študijah zapletene biokemije izbranih potencialno nevarnih elementov, oblikovanju realnih hipotez in ustrezne ocene tveganja vplivov na okolje v resničnih situacijah.
Pomen za razvoj Slovenije
The knowledge that will be obtained in the project will provide novel insights into metabolic pathways of Fe and phytic acid in lpa mutants and novel insights into pleiotropic effects (when mutations of one gene alters more metabolic pathways) of lpa mutations that could affect agricultural potential of the bean and maize crops. This knowledge will set a basis for the guidelines for selecting bean and maize accessions with low level of pleiotropic effects, high nutrient value and good agronomic potential.
Studies of interactions between Se and potentially hazardous elements (PHE) in Se biofortified plants will provide novel insights into the effects of Se and role of plant Se compounds in the transport of Cd and Hg from plants further into the food chain. In addition toxicity of the mentioned PHE will be evaluated in the presence of Se and different plant Se compounds. On the basis of obtained knowledge we will provide guidelines for breeding Se biofortified crops, taking into account the risks that are caused by moderate levels of PHE in soils. The topics is highly relevant and up to date, because in Slovenia and some other EU and non-EU countries the soils are Se deficient and this deficiency is reflected also in human nutrition and consequentially human health (problems with thyroidea and cardiovascular system).
We will combine complementary "state of the art" imaging and speciation techniques to resolve Fe localization and speciation as well as relationships with phytic acid and the major metabolites at tissue and (sub)cellular levels in bean and maize grains. Such interdisciplinary technique approaches are common in material science, but not in the field of plant biology, mainly due to the lack of technical knowledge and collaboration with the community of technique providers (mainly physicists). For analyses that include for example synchrotron and accelerator based techniques extensive knowledge on sample preparation, measuring setup and data analysis is needed and this kind of knowledge can expand only through interdisciplinary networking. The members of the project group (joined in AICO consortium - www.aico.si) are one of the leading groups in the field of quantitative elemental imaging of biological samples by micro-PIXE, LA-ICPMS and XRF and have extensive experiences in using and complementing synchrotron and accelerator based techniques as reflected from more than 20 successful experiments performed at EU synchrotron facilities, ESRF, Elettra, DESY as well as numerous publications of the group members. The application of micro-PIXE, LAICPMS, SR-micro-XRF, micro-XANES, FTIR as well as MeV-SIMS analysis techniques within the project will open entirely new possibilities of research in the fields of plant biology analytical chemistry, biomedicine, food and material science. These high quality data will enable us to discover the complicated biogeochemistry of the selected potentially hazardous elements, formulating realistic hypotheses and adequately assessing the environmental impact risks associated with real life situations.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
