Selenium biofortification of wheat: Distribution and spatially resolved selenium speciation by synchrotron-based techniques

Abstract

El seleni és un micronutrient essencial pels humans. Té diversos rols en la salut i per tant, el seu consum a nivells òptims és altament beneficial. Tot i així, 500-1000 milions de persones al món pateixen dèficit de seleni, degut als baixos nivells de seleni als sòls del camps de conreu. La biofortificació dels cultius amb fertilitzants rics en seleni és la manera més efectiva de contrarestar la deficiència de seleni. Tot i així, la especiació de seleni és fonamental: les plantes són capaces de transformar el seleni inorgànic del sòl, com els ions selenit i selenat, en seleni orgànic, com els selenoamino àcids, que són menys tòxics i més biodisponibles. El blat és el cereal més consumit al món i és capaç de tolerar i acumular més de 100 mg de Se per Kg de pes sec, i per tant, és un candidat adequat per la biofortificació amb seleni per produir un aliment funcional. El seleni en el blat es troba en forma de cinc espècies principals: selenit, selenat, selenometionina, metilselenocisteina i selenocistina. A la present tesis, el contingut i la distribució d’aquestes espècies en el blat s’ha determinat amb el tàndem de cromatografia líquida d’alta precisió (HPLC-ICP-MS) després de una apropiada digestió enzimàtica de la mostra, i per espectroscòpia d’absorció de raig-X (XAS) amb radiació de sincrotró, entre d’altres tècniques. La especiació i la concentració de seleni, les condicions de creixement de la planta, i el temps in que el seleni és aplicat a la planta, defineixen el grau d’absorció, metabolització i distribució de seleni a través dels diferent òrgans de la planta. El selenit es redueix ràpidament a les arrels, i per tant s’acumula en els teixits subterranis. D’altra banda, el selenat és molt mòbil a través del xilem de la planta i la seva translocació és més ràpida que la seva reducció, i per tant s’acumula a la part aèria. La aplicació d’altes concentracions de seleni pot resultar en l’acumulació excessiva als teixits, provocant estrès i toxicitat, fent decréixer la producció de biomassa a la planta i reduint el rendiment del gra. Tan mateix, la fitotoxicitat en el blat pot ser reduïda amb la aplicació del seleni a la florescència, i tot i així aconseguint un enriquiment del gra i una metabolització del seleni similars. El selenit va ser casi completament reduït a espècies orgàniques, principalment a les arrels, on la toxicitat induïda va produir un ambient altament oxidant a la planta, i per tant va resultar en una acumulació de seleni orgànic en forma de selenocistina. En contra, el selenat va mostrar una metabolització més lenta i una acumulació significativa en forma inorgànica a les tiges i fulles, tot i que en el gra el seleni es va trobar com a espècies orgàniques en forma de selenometionina, la qual es pot incorporar de forma no específica a les proteïnes. D’altra banda, la aplicació de els dos anions de forma simultània va contribuir a anivellar l’enriquiment de seleni, degut a les seves vies metabòliques separades. La mescla va causar una distribució més equilibrada de seleni en els teixits vegetals, reduint la seva fitotoxicitat, però resultant en la mateixa concentració total en el gra i uns nivells intermedis de selenometionina i selenocistina. A més, l’anàlisi espacialment resolt de la especiació als grans de blat va mostra una alta acumulació de seleni en l’embrió, el segó i l’àrea vascular pigmentada, i una baixa concentració al endosperma, que correlaciona amb la concentració de proteïnes a les diferents parts del gra. Finalment, s’ha mostrat l’efecte protector del seleni en front de la toxicitat del mercuri, la qual sembla que és deguda a la formació d’un complex proteïna-Se-Hg a les arrels. Aquest complex redueix la translocació del mercuri a les parts aèries i al gra, la mobilitat dels selenat i la reducció del selenit a les arrels, al mateix temps que afavoreix l’acumulació d’amino àcids amb la estructura de C-Se-C com la selenometionina en el gra. D’aquesta forma, el seleni pot contrarestar la fitotoxicitat del mercuri i reduir el risc en conreus exposats a sòls contaminats amb mercuri.

Selenium, as an essential micronutrient for humans, has several roles in health and thus, its intake at optimum levels is highly beneficial. However, 500-1000 million of people worldwide suffer selenium deficiency, due to the low Se levels in soils of agricultural lands. Biofortification of crops with Se-rich fertilizers is the most effective approach to counteract selenium deficiency. However, the selenium speciation is also fundamental: plants are able to transform the soil inorganic selenium, i.e. selenite and selenate ions, into organic selenium, such as selenoamino acids, which are less toxic and more bioavailable. Wheat is the most consumed cereal worldwide and is able to tolerate and accumulate over 100 mg Se per kg of dry weight, thus being a suitable candidate for Se biofortification to produce an enriched functional food. Selenium in wheat is found in the form of five major selenium species: selenite, selenate, selenomethionine, methylselenocysteine and selenocystine. In the present thesis, the content and distribution of these species in wheat was determined by the tamdem of high-performance liquid chromatography with inductively coupled plasma mass spectrometry (HPLC-ICP-MS) after appropriate enzymatic sample digestion, and by X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS), using synchrotron radiation, among other techniques. The speciation and concentration of Se, the plant growth conditions and the stage in which selenium is applied to the plant define the degree of selenium uptake, metabolization and distribution through the different plant organs. Selenite is readily reduced in wheat roots, and thus, it accumulates preferentially in underground tissues; on the other hand, selenate is highly mobile through the plant xylem and its translocation is faster than its reduction, therefore accumulating in shoots. The application of high Se concentrations may result in excessive tissue accumulation, and thus, plant stress and Se-induced toxicity, decreased plant biomass production and reduced grain yield. However, wheat phytotoxicity may be reduced by the application of selenium at florescence time, but still achieving similar enrichment of grain and Se metabolization. Selenite was almost completely reduced into organic species, especially in roots, where the induced toxicity effects produced a strong oxidizing environment within the plant, thus producing a high accumulation of organic selenium in grain in the form of selenocystine. Oppositely, selenate showed slower metabolization and a significant accumulation of selenium in inorganic forms in shoots, although in grain selenium was found as organic species in the form of selenomethionine, which can be unspecifically incorporated into proteins. On the other hand, the application of both anions simultaneously contributed to balance the Se enrichment due to their separate metabolic pathways. The mixture caused a more equilibrated distribution of Se in the plant tissues, reducing its phytotoxicity, but resulting in the same total selenium concentration in grain and an intermediate amount of selenomethionine and selenocystine. Furthermore, the spatially resolved speciation analysis of wheat grains, showed high selenium accumulations in the germ, bran and pigment strand, and a low selenium concentration in the endosperm, which correlated positively with the concentration of proteins in the different parts of the grain. Finally, the protective effect of selenium against mercury toxicity was shown and it seems that it was due to the formation of a protein-Se-Hg complex in roots. This complex reduced the translocation of mercury to shoots and grain, the selenate mobility and the selenite reduction in roots, but at the same time it enhanced the accumulation of C-Se-C amino acids, such as selenomethionine, in wheat grain. As a result, selenium counteracted mercury phytotoxicity and reduced the risk in crops exposed to mercury polluted soils.