Biofortifikace řepky olejné (Brassica napus L.) selenem: Tři úrovně aniontové kompetice v systému půda-rostlina

Ing. Lukáš Praus

Doctoral thesis

Biofortification of rapeseed plants (Brassica napus L) with selenium: three levels of anion competition in a soil-plant system

Abstract:

Selen (Se) je esenciálním stopovým prvkem ve výživě člověka a hospodářských zvířat. Deficience Se je globálně rozšířený jev způsobený nízkým obsahem Se v lidské stravě, což je sekundární projev nízkého obsahu rostlinám dostupného Se v půdách. Suboptimální denní příjem Se neumožňuje plné využití potenciálních prospěšných účinků tohoto mikroprvku. Aplikace Se ve formě selenanu do půdy či foliárně, tj. agronomická fortifikace, byla opakovaně prezentována jako bezpečný systémový způsob korekce neadekvátního příjmu Se při konzumaci fortifikovaných zemědělských produktů. Je však zcela legitimním požadavkem využívat dostupné zdroje Se hospodárně, tj. zajistit vysokou účinnost fortifikace. Aplikace hnojiv ovlivňuje osud a biodostupnost exogenního Se v půdě prostřednictvím půdních i fyziologických procesů, přičemž aniontové kompetice sehrávají velmi významnou, ale nedostatečně objasněnou roli. Předložená práce definuje tři úrovně aniontové kompetice, které současně působí v systému půda-selenan-rostlina. Na úrovni 1 byl zkoumán vliv přítomnosti či absence kompetičních aniontů (síran, fosforečnan, dusičnan) na rychlou abiotickou sorpci selenanu ve třech zemědělských půdách metodou vsádkových sorpčních experimentů. V půdách vykazujících velmi podobné fyzikálně-chemické vlastnosti byla k interpretaci odlišné míry sorpce Se při nižších koncentracích selenanu (20–250 µg/L Se) nezbytná diskuse projevů aniontových kompeticí. Při vyšších koncentracích selenanu (> 500 µg/L Se) relativní variabilita sorpce mezi jednotlivými půdami klesala. Z našich výsledků vyplývá, že mechanismus rychlé abiotické sorpce selenanu se omezuje pouze na půdní částice, které nejsou saturovány fosforečnany a nejsou v kontaktu s půdním roztokem o vysoké koncentraci síranů a fosforečnanů. Na úrovni 2 byl posuzován vliv aplikace síranu a fosforečnanu, vliv půdní mikrobiální aktivity a jejich sdružený účinek na množství Se v rostlinám dostupné půdní zásobě a na změnu frakcionace Se v průběhu laboratorních střednědobých (10 týdnů) a dlouhodobých (62 týdnů) inkubačních experimentů. Ke studiu chování exogenního selenanu byly použity metody jednoduché a postupné extrakce a chemická speciační analýza v půdních výluzích. V souladu s konceptem stabilizace exogenního Se v půdě byl zjištěn pokles dostupnosti Se ve všech pokusných variantách obou zkoumaných půd s časem. Získali jsme několik důkazů o významné účasti půdních mikroorganismů při stabilizaci a redistribuci Se v půdě. V černozemi byl stanoven vyšší obsah mobilního Se a mikrobiálně podmíněná redistribuce Se směřovala především k organicky vázaným formám Se. V kambizemi směřovala redistribuce exogenního Se do reziduální frakce, která není rostlinám dostupná. Aplikace síranu inhibovala imobilizaci Se v obou půdách, glukóza měla opačný efekt. Přídavek fosforečnanu interferoval se stabilizací exogenního Se výrazně méně. Na úrovni 3 byl založen nádobový pokus za účelem výzkumu vlivu různých dávek síranu a fosforečnanu na účinnost selenizace řepky olejné (Brassica napus L.) pěstované ve dvou půdách fortifikovaných selenanem. Aplikace síranu snížila (až o 28 %) obsah Se v semeni v kambizemi, zatímco v černozemi byl zaznamenán nárůst obsahu Se (až o 33 %). Indukce společné translokace Se a S do semen více než kompenzovala kompetiční účinky vyvolané sírany při nejvyšší aplikační dávce S. Asimilace Se a S byla v rostlinách řepky vzájemně provázána, zvláště při pěstování v černozemi, zřejmě z důvodu sdílení asimilační dráhy mezi selenanem a síranem. Aplikace fosforečnanu neměla signifikantní vliv na účinnost selenizace. Selenomethionin vázaný v pro

Abstract:

teinech byl převládající zásobní formou Se v semeni, identifikovány byly také další minoritní specie Se. Na základě našich výsledků se lze domnívat, že zvláště aplikace síranu může podmiňovat mobilitu Se v půdě a příjem a translokaci Se v rostlině výrazně komplexněji, než bylo uvažováno v předešlých studiích.

Abstract:

Selenium (Se) is an essential trace element whose compounds, particularly selenoproteins, carry out a number of important biological functions at the cellular level in humans and animals. Selenium deficiency is a globally widespread phenomenon, which is primarily related to low Se content in the human diet and secondarily to low plant-available Se content in soils. A suboptimal daily intake of Se does not allow the beneficial effects of this microelement to be fully realized. The application of selenate either to arable land or foliarly sprayed, i.e., agronomic fortification, has been repeatedly proved as a safe systemic approach for correcting inadequate Se intake via the consumption of fortified agricultural products. Nevertheless, there is a justified requirement to use available Se resources economically, i.e., a high degree of fortification efficiency has to be ensured. Application of fertilisers influences the fate and bioavailability of exogenous Se in soils through both soil and physiological processes, where anion competition play an established but poorly understood role. This work details three levels of anion competition acting simultaneously in a soil-selenate-plant system. At level 1, fast abiotic sorption was evaluated in batch sorption experiments when three agricultural soils were exposed to selenate in the presence or absence of sulphate, phosphate and nitrate anions. At lower selenate concentrations (20–250 µg/L Se), anion competition had to be taken into consideration to clarify the distinct sorption patterns found in the soils resembling their physicochemical characteristics. At higher selenate concentrations (> 500 µg/L Se), the relative variability in sorption among soils decreased. We suggest that fast abiotic sorption of selenate is spatially limited to those soil particles which are not saturated with phosphate and are not in contact with soil solutions rich in sulphate and phosphate. At level 2, we investigated sulphate and phosphate application, different statuses of soil microbial activity and their joint effects as variables associated with changes in plant-available Se and soil Se fractination during the course of mid-term (10 weeks) and long-term (62 weeks) laboratory incubation trials. The time-resolved behaviour of exogenous selenate in soils was elucidated by means of a single extraction procedure, sequential extraction procedure, and chemical speciation analysis in soil extracts. In line with the concept of soil ageing, a decrease in Se availability with time was noticed in all experimental treatments in both soils. We have obtained multiple evidence indicating that soil microorganisms take an important part in Se stabilisation and redistribution in soils. In Chernozem soil, a higher content of mobile Se was determined and the microbially mediated Se redistribution tended towards organically bound Se species. In Cambisol soil, the exogenous Se largely emerged in the residual Se fraction which is entirely unavailable to plants. Sulphate application inhibited Se immobilisation in both soils, whereas glucose showed the opposite effect. Phosphate interfered with the stabilisation of exogenous Se to a lesser extent. At level 3, pot experiments on two Se-fortified soils amended with sulphate and phosphate (each at three levels of supply) were established to elucidate the effect of these anions on the selenization efficiency of rapeseed plants (Brassica napus L.). Sulphate decreased (up to 28%) the seed Se contents in Cambisol, while an enhancement (up to 33%) was found in Chernozem. In the Chernozem, the induction of collective Se and S translocation toward the seed more than compensated for any competition effects due to the highest sulphate supply. We proved that Se and S assimilation in rapeseed were significantly interrelated, particularly when cultivated in Chernozem, most likely through a shared selenate/sulphate pathway. Phosphate did not significantly alter the fortification efficienc

Abstract:

y. Protein-bound selenomethionine was the predominant Se storage form in the seed and traces of other Se species were also identified.Finally, we suggest that especially sulphate application may determine the soil mobility, uptake and translocation of Se within a plant in a much more complex manner than presented in previous research.

Keywords

selen, aniontová kompetice, biofortifikace, sorpce, speciace, řepka olejná (Brassica napus L.)

Keywords

anion competition, biofortification, sorption, selenium, rapeseed (Brassica napus L.), speciation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 11. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jiřina Száková, CSc.
• Reader: Lukáš Trakal, Ph.D., doc. Mgr., Radim Vácha, externi, Oto Mestek, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Exploitation and Conservation of Natural Resources