Autoreferat Magdalena Michalska Kacymirow
advertisement
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
