pobierz plik - Wydział Biologii UW

AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
BIOTRANSFORMACJA SELENU W ROŚLINACH
Magdalena Michalska-Kacymirow
Praca wykonana w ramach Międzywydziałowych Interdyscyplinarnych Studiów
Doktoranckich w zakresie nauk Matematyczno-Przyrodniczych (MISDoMP)
Promotorzy:
Prof. dr hab. Ewa Bulska
Pracownia Teoretycznych Podstaw Chemii Analitycznej,
Wydział Chemii; Analityczne Centrum Eksperckie, Centrum Nauk
Biologiczno – Chemicznych, Uniwersytet Warszawski
Prof. dr hab. Małgorzata Wierzbicka
Pracownia Ekotoksykologii, Wydział Biologii,
Uniwersytet Warszawski
Recenzenci:
Prof. dr hab. Danuta Barałkiewicz
Pracownia Analizy Spektroskopowej Pierwiastków, Wydział Chemii,
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
Prof. dr hab. Ryszard Dobrowolski
Zakład Chemii Analitycznej i Analizy Instrumentalnej, Wydział
Chemii, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie
Selen jest pierwiastkiem niezbędnym dla prawidłowego funkcjonowania organizmów
ludzkich i zwierzęcych. Ma to związek z jego obecnością w ważnych dla metabolizmu
komórek białkach, zaliczanych do grupy selenobiałek. Wiele prowadzonych obecnie badań
koncentruje się na przeciwnowotworowych właściwościach selenu. Stwierdzono bowiem
wyraźną korelację między zwiększoną zachorowalnością na raka, a niedoborami selenu
w diecie. Mieszkańcy obszarów ubogich w selen znacznie częściej zapadają na różne choroby
nowotworowe, niż mieszkańcy terenów zasobnych w ten pierwiastek.
Większość gleb Polski uznaje się ze gleby deficytowe – ubogie w selen. Dodatkowo,
obserwuje się ciągłe zmniejszanie się ilości tego pierwiastka w diecie mieszkańców naszego
kraju, wywołane, między innymi, wstrzymaniem importu żywności z krajów bogatych
w selen. Wymaga to podjęcia działań prowadzących do uzupełnienia niedoborów selenu
w diecie. Stosowanie nawożenia selenem wydaje się być dobrym sposobem na wzbogacenie
1 AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
diety w ten pierwiastek. Metoda ta była wprowadzana w innych krajach, np. Finlandii.
Dotychczasowe badania przeprowadzone w naszych Pracowniach na Wydziale Biologii oraz
na Wydziale Chemii, wskazały, że możliwe jest wyhodowanie warzyw, które mają zdolność
do biotransformacji pobranych z gleby nieorganicznych form selenu w najkorzystniejsze dla
człowieka antykancerogenne formy organiczne – selenoaminokwasy.
Celem niniejszej pracy było zbadanie procesów biotransformacji selenu w roślinach
Allium cepa, a także identyfikacja czynników, które mogą mieć wpływ na te przemiany.
Wyniki tych badań są konieczne do opracowania nowej, najbardziej efektywnej metody
wzbogacania roślin użytkowych w selen, tak, aby możliwe było uzyskanie roślin bogatych
w związki selenu o pożądanej antynowotworowej aktywności biologicznej.
Realizacja celu wymagała przeprowadzenia badań interdyscyplinarnych (metodami
biologicznymi i chemicznymi), umożliwiających otrzymanie komplementarnych wyników.
Ze strony biologicznej konieczne były badania, umożliwiające poznanie reakcji roślin
A. cepa na działanie soli selenu. Obserwowano:
1. Wzrost i biomasę roślin, a także aktywność mitotyczną komórek wierzchołków korzeni
(Test Allium),
2. Działanie aparatu fotosyntetycznego (pomiary fluorescencji chlorofilu a in vivo),
3. Ultrastukturę
komórek
(transmisyjna
mikroskopia
elektronowa
(TEM))
oraz
rozmieszczenie selenu w komórkach (mikroanaliza rentgenowska).
Badania chemiczne obejmowały metody, pozwalające na wyjaśnienie procesów
pobierania, metabolizmu i rozmieszczenia selenu w roślinie. W tym celu konieczne było:
1. Oznaczenie
całkowitej
zawartości
selenu
w poszczególnych
organach
roślin
z wykorzystaniem spektrometrii mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP
MS),
2. Przeprowadzenie
oznaczenia
analizy
specjacyjnej
poszczególnych
form
selenu,
selenu
czyli
w różnych
identyfikacji
częściach
i ilościowego
roślin
metodą
wysokosprawnej chromatografii cieczowej połączonej ze spektrometrią mas z jonizacją w
plazmie indukcyjnie sprzężonej (HPLC ICP MS).
W wyniku badań przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy stwierdzono, iż reakcja
roślin A. cepa na obecność selenu, a także procesy jego pobierania i biotransformacji, zależne
są od formy, w jakiej dostarczany jest on roślinom. Największy wpływ na te procesy ma
stopień utlenienia selenu. W przypadku upraw w pożywce mineralnej Se(IV), mimo iż jest
2 AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
pobierany przez rośliny w mniejszym stopniu niż Se(VI), silniej oddziałuje na rośliny,
hamując wzrost korzeni, a także aktywność mitotyczną komórek merystematycznych
wierzchołków korzeni. Ma to związek z odmienną biotransformacją Se(IV) i Se(VI)
w roślinach A. cepa, co wykazała analiza specjacyjna. W roślinach traktowanych Se(IV)
dochodzi do biotransformacji selenu nieorganicznego do selenu organicznego, a dominującą
formą w roślinach jest SeMetSeCys. W przypadku traktowania roślin Se(VI), w bardzo
niewielkim stopniu jest on przekształcany do form organicznych, a dominującą formą tego
pierwiastka we wszystkich częściach rośliny jest nieorganiczny Se(VI).
Jak wykazano w pracy, reakcja roślin A. cepa na selen, a także biotransformacja selenu
są zależne również od warunków hodowli roślin. Biotransformacja selenu w roślinach
uprawianych w glebie była odmienna niż w roślinach uprawianych w pożywce mineralnej. W
tkankach roślin rosnących w glebie wzbogaconej w selen (IV) mniej efektywnie
metabolizowane były organiczne formy selenu, stwierdzono znaczny udział nieorganicznego
Se(VI). W tkankach roślin rosnących w glebie z dodatkiem selenu (VI) formą dominującą był
Se(VI), jednak stwierdzono również udział form organicznych, w tym SeMetSeCys.
Podejrzewano, iż prawdopodobną przyczyną obserwowanych różnic mogło być
pobieranie przez rośliny A. cepa z gleby innych form selenu, niż te, które były do niej
dodawane. Wykluczono jednak taką możliwość dzięki przeprowadzeniu szczegółowych
badań specjacji selenu w glebie. Otrzymane wyniki wskazały, że w glebie nie dochodzi do
biotransformacji selenu, która skutkowałaby pobieraniem przez rośliny innych form selenu
niż te podane w roztworach.
Badania wykonane z wykorzystaniem metody transmisyjnej mikroskopii elektronowej
pozwoliły przybliżyć się do wyjaśnienia obserwowanych różnic. Okazało się, iż różnice
w obrazie specjacji selenu w roślinach A. cepa uprawianych w pożywce mineralnej lub glebie
mogą mieć związek z warunkami tlenowymi, panującymi w różnych typach uprawy.
Ultrastruktura komórek wierzchołków korzeni roślin kontrolnych A. cepa uprawianych
w pożywce lub w glebie wykazała znaczne różnice, szczególnie dotyczące zmian w
mitochondriach. Możliwe jest, iż przyczyną różnic były inne warunki tlenowe panujące
w pożywce mineralnej i glebie. Mogły one wpływać na aktywność mitochondriów komórek,
a w konsekwencji na całą bioenergetykę komórki.
Dokładne zbadanie różnic w działaniu Se(IV) i Se(VI) na rośliny miało kluczowe
znaczenie w kontekście opracowania bezpiecznej i skutecznej metody wzbogacania roślin
A. cepa, tak aby uzyskać w nich najbardziej pożądane formy organiczne selenu.
3 AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
Stosowanie Se(IV) wydaje się najbardziej korzystne zarówno w przypadku upraw
w glebie jak i w pożywce mineralnej, gdyż skutkuje otrzymaniem w roślinach A. cepa
znacznych ilości SeMetSeCys. Jednocześnie, ta forma pierwiastka w znacznym stopniu
translokowana jest do części jadalnych, a jej pobieranie jest mniejsze w stosunku do Se(VI),
co ogranicza ryzyko przedawkowania. Stosowanie Se(VI) może być rozważane. Jednak w
tym przypadku należy zachować większą ostrożność i stosować mniejsze stężenia, gdyż ta
forma selenu bardzo intensywnie jest pobierana przez rośliny, co grozi toksycznymi
stężeniami w ich tkankach. Do tej pory w krajach gdzie stosowane były nawozy zawierające
selen (np. w Finlandii, Nowej Zelandii), wykorzystywany był Se(VI). Z przeprowadzonych w
niniejszej pracy badań jednoznacznie wynika, że zdecydowanie bardziej korzystne jest
stosowanie w nawozach Se(IV), a szczególnie w przypadku upraw hydroponicznych.
W wyniku przeprowadzonych badań opracowano nową metodę wzbogacania
roślin A. cepa w selen, tak aby uzyskać w nich szczególnie korzystne dla człowieka
organiczne formy tego pierwiastka. Dowiedziono, iż szczególnie korzystna jest uprawa
roślin A. cepa w pożywce mineralnej z dodatkiem selenu (IV), gdyż skutkuje powstaniem
w jadalnych częściach roślin znacznych ilości SeMetSeCys – formy selenu o
potwierdzonej aktywności przeciwnowotworowej.
4