Zrozumienie roli fitosideroforów w doskonaleniu upraw
Gdy niektóre rośliny zbożowe, takie jak pszenica, jęczmień i kukurydza mają trudności z pozyskaniem wystarczającej ilości mikroelementów, uwalniają z korzeni do gleby metabolity znane jako fitosiderofory. Tworzą one pewnego rodzaju wiązania (stabilne kompleksy) ze składnikami odżywczymi, dzięki czemu stają się rozpuszczalne i dostępne do wchłaniania. Znaczenie fitosideroforów dla zaopatrzenia roślin w żelazo jest znane już od lat 70. XX wieku, jednak pełne zrozumienie ich roli w interakcjach między roślinami a glebą stanowi wyzwanie – głównie dlatego, że związki te nie są dostępne w handlu. „Badacze nie mieli dostępu do oczyszczonych wzorców niezbędnych do dokładnego pomiaru ani do porównywania wyników między różnymi roślinami, glebami lub laboratoriami”, wyjaśnia Eva Oburger(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor nadzwyczajna w Instytucie Badań Glebowych na Uniwersytecie BOKU. W ramach projektu PhytoTrace, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, ERBN(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Oburger wraz ze swoimi współpracownikami z Politechniki w Wiedniu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz Uniwersytetu w Wiedniu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) podjęła próbę wyjaśnienia mechanizmów leżących u podstaw procesu pozyskiwania mikroelementów. W ramach projektu wykorzystano nowatorskie metody pobierania próbek gleby i korzeni oraz zaawansowane techniki molekularne, aby zbadać system fitosideroforów z niespotykaną dotąd dokładnością. „Dzięki finansowaniu z ERBN udało nam się uzyskać w drodze syntezy chemicznej wszystkie osiem naturalnie występujących fitosideroforów w postaci oczyszczonej”, zauważa Oburger. „To pozwoliło nam opracować wysoce czułą metodę wykrywania i oznaczania ilościowo wszystkich tych związków w próbkach pochodzących ze środowiska naturalnego, dając nam po raz pierwszy narzędzia do zadawania pytań i udzielania odpowiedzi na temat tego, jak związki te funkcjonują i kształtują interakcje między roślinami a ryzosferą(odnośnik otworzy się w nowym oknie)”.
Wyjaśnienie roli fitosideroforów
Badacze rozpoczęli prace od dodawania lub pomijania poszczególnych mikroelementów, takich jak żelazo, cynk i miedź, w ramach eksperymentów hydroponicznych. Wykorzystując jęczmień jako organizm modelowy, zespół zbadał uwalnianie fitosideroforów w warunkach niedoboru różnych mikroelementów oraz monitorował aktywację genów niezbędnych do ich produkcji. Po ustaleniu tych podstawowych mechanizmów badacze przeszli do analizy bardziej złożonych i realistycznych systemów glebowych, sprawdzili skuteczność różnych fitosideroforów oraz stopniowo zwiększali różnorodność genetyczną badanych roślin.
Zróżnicowanie genetyczne w zakresie efektywności przyswajania składników odżywczych
Jednym z najbardziej zaskakujących wyników badań było to, że fitosiderofory odgrywają jedynie ograniczoną rolę w pobieraniu miedzi, mimo tworzenia w roztworze glebowym silnych kompleksów miedź–fitosiderofor. Badacze odkryli jednak przekonujące dowody na to, że fitosiderofory w znacznym stopniu przyczyniają się do przyswajania cynku. „Ma to szczególne znaczenie, ponieważ niedobór cynku stanowi poważne globalne wyzwanie zarówno dla rolnictwa, jak i dla żywienia ludzi”, zauważa Oburger. Kolejnym ważnym odkryciem była zmienność genotypowa: niektóre genotypy jęczmienia znacznie skuteczniej przyswajały mikroelementy, co było ściśle związane z intensywnością aktywacji szlaku fitosideroforowego. „To było bardzo ekscytujące, ponieważ pokazało, że rośliny mogą znacznie różnić się pod względem skuteczności wykorzystania tych związków w warunkach niedoboru mikroelementów”, dodaje Oburger. „Ta odmiana jest uwarunkowana genetycznie i dziedziczna, co oznacza, że hodowcy roślin mogą ją wykorzystać w swojej pracy”.
Wsparcie dla hodowców roślin
Wyniki te mają rzeczywiście najbardziej bezpośrednie znaczenie dla hodowli roślin. „Ponieważ szlak syntezy fitosideroforów jest regulowany genetycznie, wzmocnienie tych cech poprzez hodowlę i selekcję jest całkowicie realne”, wyjaśnia Oburger. Wzmocnienie tego naturalnego mechanizmu stanowi praktyczny sposób na poprawę przyswajania żelaza i cynku w trudnych warunkach glebowych, co w dłuższej perspektywie mogłoby pomóc w hodowli roślin o wyższej zawartości mikroelementów, lepszym wzroście i większej odporności w środowiskach ubogich w składniki odżywcze. „Kolejne etapy będą obejmowały nie tylko badania nad innymi gatunkami, ale także opracowanie metod, które umożliwią przeniesienie tych badań na szerszą skalę, tak aby zbliżyć je do rzeczywistej praktyki hodowlanej”, mówi Oburger.
