Chemical and synchrotron techniques for the characterization and development of functional foods. Plant biostimulant effects on Se enriching wheat

Abstract

El seleni és essencial per a la salut humana Les fonts de Se s’obtenen en gran mesura del consum de vegetals, ja que el cos humà no pot sintetitzar de forma eficaç les espècies de Se orgànic assimilables. El selenit i el selenat són les formes inorgàniques predominants de Se que les plantes poden aborbir i metabolitzar en la seva major part en formes orgàniques assimilables per als animals i la ingesta humana. L’ús de fertilitzants amb Se s’està convertint en una pràctica comú en regions deficients en aquest element per poder obtenir així cultius i aliments enriquits amb Se. Malgrat això, encara hi ha qüestions que s’han d’abordar en relació a la toxicitat induïda pel Se a la planta. En aquest sentit, els bioestimulants vegetals s’utilitzen per millorar la nutrició, la tolerància a l’estrès abiòtic i la qualitat dels cultius. En aquest estudi hem aplicat un bioestimulant basat en un conjunt d’heteropolioxometalats híbrids de molècules amb l’estructura de Keggin barrejades amb àcids húmics. El nostre primer objectiu és avaluar l’efecte d’aquest producte en contrarestar la toxicitat del Se en el desenvolupament normal del blat i, en segon lloc, avaluar la possible modificació de l’especiació del Se en la seva presència.

L’estudi de la saba del xilema va demostrar que l’especiació inorgànica de Se té diferents vies metabòliques a la planta. La translocació és un procés clau per controlar l’acumulació d’elements nutritius i de Se a la part aèria. S’ha establert un mètode ràpid i de baix cost, basat en titracions potenciomètriques d’àcid-base, per determinar la resposta de la saba a les espècies de Se. A més, l’estudi de l’aplicació del biostimulant es va realitzar en diferents períodes de creixement del blat; a curt i a llarg termini.

Les plantes de l’assaig a curt termini van ser exposades a Se(IV), Se(VI) o a una barreja d’ambdues espècies (Se(MIX)) en presència com en absència del biostimulant, aplicat via foliar (FA) o a través de les arrels (RA). Els nostres resultats mostren que FA no va modificar la biomassa de la planta però que RA va fer augmentar significativament la biomassa de l’arrel en tots els tractaments, així com la biomassa de la tija de plantes exposades a Se(VI) i Se(MIX). El biosestimulant va accelerar la translocació de Se en presència de Se(VI) i Se(MIX). Mitjançant XAS es va identificar el Se orgànic com a l’espècie principal de Se formada en tiges, essent la influència del biostimulant gairebé insignificant en l’especiació Se. Aquests resultats indiquen el potencial d’aquest biostimulant en l’enriquiment dels conreus amb Se evitant al mateix temps l’estrès induït per aquest element.

L’assaig a llarg termini ens va centrar en la co-aplicació dels tractaments de Se i l’aplicació foliar del biostimulant (FA) en diferents etapes de creixement (afillament i emergència de la inflorescència) fins a la collita. El biostimulant va tenir un paper fonamental en l’increment tant de la quantitat de gra produït per espiga com de la seva biomassa sense disminuir la quantitat total de Se i mantenint la seva especiació igual que en absència del biostimulant. L’ús d’espectroscòpia de raigs X va mostrar que el Se orgànic és l’espècie principal de Se en el gra de blat i que l’estadi de creixement en el que es realitza l’aplicació del Se afecta a la proporció d’aquest Se orgànic. Aquesta informació serà útil en els programes de biofortificació per minimitzar els costos econòmics y aconseguir un enriquiment de Se més eficient ja que la productivitat dels cultius no es veuria afectada i la quantitat dietètica necessària de formes orgàniques de Se en parts comestibles assoliria un rang adequat.

El selenio es vital para la salud humana. Las fuentes de Se se obtienen en gran medida del consumo de vegetales ya que el cuerpo humano no puede sintetizar eficazmente las especies orgánicas asimilables. El selenito y el selenato son las formas inorgánicas predominantes que las plantas pueden absorber y metabolizar en su mayor parte en formas orgánicas asimilables para los animales y la ingesta humana. El uso de fertilizantes con Se se está convirtiendo en una práctica común en regiones con deficiencias en este elemento para obtener cultivos y alimentos enriquecidos con Se. Pese a ello, todavía hay cuestiones que deben abordarse en relación a la toxicidad inducida por el Se en la planta. En este sentido, los bioestimulantes se utilizan para mejorar la nutrición, la tolerancia a estrés abiótico y la calidad de los cultivos. En este estudio hemos aplicado un bioestimulante basado en un complejo de heteropolioxometalatos híbridos de moléculas con estructura de Keggin mezcladas con ácidos húmicos. Nuestro objetivo es evaluar el efecto de este producto en contrarrestar la toxicidad del Se en el desarrollo normal del trigo y, en segundo lugar, evaluar una posible modificación de la especiación del Se en su presencia.

El estudio de savia de xilema demostró que las especies inorgánicas de Se tienen diferentes vías metabólicas en la planta. La translocación es un proceso clave para controlar la acumulación de Se y de elementos nutritivos en la parte aérea. Se ha establecido un método rápido y de bajo costo basado en titriaciones potenciométricas ácido-base para ensayar la respuesta de la savia a las especies de Se. Además, los estudios relativos a la aplicación del bioestimulante se realizaron en distintos períodos de crecimiento del trigo; a corto y a largo plazo.

Las plantas del ensayo a corto plazo fueron expuestas a Se(IV), Se(VI) o a una mezcla de ambas especies (Se(MIX)) en presencia y en ausencia del bioestimulante, aplicado por vía foliar (FA) o por vía radicular (RA). Nuestros resultados muestran que FA no modificó la biomasa de la planta, mientras que RA aumentó significativamente la biomasa de las raíces en todos los tratamientos, así como la biomasa de los tallos bajo Se(VI) y Se(MIX). El bioestimulante aceleró la translocación de Se en presencia de Se(VI) y Se(MIX). Mediante XAS se identificó el Se orgánico como la principal especie de Se formada en los tallos, siendo la influencia del bioestimulante casi insignificante en la especiación de Se. Estos resultados indican el potencial de este biostimulant en el enriquecimiento de cultivos con Se evitando al mismo tiempo el estrés inducido por este elemento.

El ensayo a largo plazo se centró en la co-aplicación de los tratamientos de Se y de la aplicación foliar del bioestimulante en diferentes etapas de crecimiento del trigo (ahijamiento o emergencia de la inflorescencia) hasta la cosecha. El bioestimulante tuvo un papel clave en el aumento tanto de la cantidad de granos producidos por espiga como de su biomasa sin disminuir la cantidad total de Se y manteniendo la especiación de Se igual como en ausencia de bioestimulante. El uso de espectroscopia de rayos X mostró que el Se orgánico es la principal especie de Se en el grano de trigo y que la etapa de aplicación del Se afecta a la proporción de este Se orgánico. Esta información será útil en los programas de biofortificación para minimizar los costos económicos y lograr una suplementación de Se más efectiva ya que la productividad de los cultivos no se vería afectada y la cantidad dietética necesaria de formas orgánicas de Se en las partes comestibles alcanzaría un rango adecuado.

Selenium is vital to human health. The resources of Se are largely obtained from edible plants since the human body cannot synthesize assimilable organic Se species effectively. Selenite and selenate are the predominant inorganic Se forms that are taken up by plants. Afterwards, they are mostly metabolized to organic forms which are the forms of Se effectively assimilable for animals and human intake. Although crop enrichment with Se-containing fertilizers to obtain Se-biofortified food in Se-deficient regions is becoming a common practice, there are still issues to be addressed regarding the Se-induced toxicity to the plant itself. In this respect, plant biostimulants are used to enhance nutrition efficiency, abiotic stress tolerance and crop quality. In this study we have applied a biostimulant based on a complex of hybrid hetero-polyoxometalates of Keggin structure molecules mixed with humic acids. Our aim is to assess the effect of this product in counteracting the toxicity of Se which hampers the normal development of wheat plants, and second, to evaluate a possible modification on the Se speciation in the presence of the biostimulant.

Xylem sap analysis showed that inorganic Se species have different metabolic pathways in the plant tissue. Translocation is a key process to control Se and nutrient elements accumulation in wheat shoots. A quick and low-cost method based on acid-base potentiometric titrations for testing the sap response to the Se species has been established. Furthermore, the studies regarding the application of the biostimulant on wheat plants are performed on short-term and long-term plant growth periods.

Short-term wheat plants were exposed to either selenite, selenate or a mixture of both species (Se(MIX)) in presence or absence of the biostimulant either by foliar (FA) or by root application (RA). Our results show that the FA did not modify the plant biomass but RA significantly increased the root biomass in all treatments as well as the shoot biomass under Se(VI) and Se(MIX). The biostimulant accelerated the translocation of Se in the presence of Se(VI) and Se(MIX). XAS allowed to identify organic Se as the main Se species formed in the shoots being the influence of the plant biostimulant almost negligible on the Se speciation. These results indicate the potential of this biostimulant in the Se-enrichment of crops while avoiding the possible stress induced by this element.

In a long-term assay we targeted on the co-application of the Se-treatments together with the foliar application of the biostimulant at different growth stages (tillering or heading stage) until harvesting. The biostimulant had a key role in the enhancement of both the amount of grains produced per spike and their biomass without diminishing the total amount of Se and maintaining Se speciation as in the absence of the biostimulant. The use of μ-XAS showed that organic Se is the main Se species in wheat grain and that, Se application stage influence the proportion of organic Se. This information will be useful for biofortification programs to minimize economic costs towards a more effective Se supplementation since the productivity of crops would not be affected and the necessary dietary amount of organic Se forms in edible parts will reach an adequate range.