Study of Se-biofortified functional food: Interactions and competing mechanisms among different elements using synchrotron analytical techniques

Abstract

El seleni (Se) és un dels micronutrients essencials per a un adequat metabolisme dels éssers humans. Les espècies de Es i la seva concentració tenen un paper clau en la seva biodisponibilitat. El S’és incorporat en el cos humà a partir de fonts d’aliments. Hi ha una correlació directa entre les regions deficients de Es i la pobra disponibilitat de S’atura la població, desafiant la ingesta recomanada (55-70 mg Es / dia, adults). Les plantes tenen la capacitat natural de transformar espècies de Es inorgànic en Es orgànic que és millor assimilat pels humans. No obstant això, hi ha diversos aspectes importants com el Es total acumulat, límits tolerables, espècies de Es en plantes, el metabolisme de l’Es en els cultius, els mecanismes que competeixen amb altres contaminants de terra que encara no s’han abordat en detall per dissenyar millor les pràctiques de fortificació. Aquest estudi se centra en la biofortificación de l’blat amb Es i té dos objectius principals. Primer, analitzar la competència entre Es i contaminants (Cd o Hg) en cultius hidropònics i, segon, avaluar com els diferents mètodes d’aplicació de Es (sòl-SA o foliar-FA) afecten les espècies de Es produïdes per la planta en cultiu en terra. En general, el nostre objectiu és comprendre els mecanismes i la interacció en les plantes pel que fa a la concentració de Es i la transformació química de les espècies de Es. En cultiu hidropònic amb Cd trobem que la biomassa i la producció de gra es van reduir per la biofortificación amb Es, així com pel Cd. SeMet i SeCyst són les principals espècies de Es que es troben en els grans biofortificados, aproximadament el 73% i 37 %, respectivament. En presència de Cd, SeMeCys s’està formant mentre es redueix la quantitat d’espècies de SeMet. A més, es van realitzar estudis d’expressió de gens en plantes de blat a joves exposades a Cd en cultiu hidropònic en gens específics relacionats amb l’efecte de l’aplicació de Es i Cd. Els gens transportadors de sofre (S) s’expressen més especialment en el tractament amb Se6 +, ja que competeixen directament amb el sulfat per l’absorció de la planta i els gens que indiquen el metabolisme mostren diferències importants en els tractaments amb SE4 + (també en presència de Cd), ja que el Es (IV) podria transformar-se en espècies orgàniques. Els gens de resposta a l’estrès afectats per la presència de Cd es van observar principalment en els brots. L’especiació de mercuri (Hg) en plantes de blat biofortificado amb Es conreades hidropónicamente sota contaminant Hg va mostrar que la barreja 50/50 de SE4 + / Se6 + en el tractament redueix l’acumulació de metilmercuri en els grans oferint certa protecció contra el Hg. La biofortificación de l’Es en tests amb terra està influenciada per la solubilitat i mobilitat de les espècies de Es segons les propietats de terra (pH, matèria orgànica, contingut d’argila, tipus de sòl). No s’han detectat canvis importants en la biomassa d’arrels i fulles en funció dels diferents tractaments de Es aplicats o de l’mètode d’aplicació. En el grup SA, els grans contenen només espècies C-Es-C, mentre que en el cas de FA està present una fracció menor (~ 10%) de C-Es-Es-C. Les C-Es-C són més biodisponibles per als éssers humans, i la biofortificación de l’Es a través d’SA és més eficient que en FA respecte als beneficis per a la salut. Aquesta tesi inclou informació valuosa per aconseguir la formació de les espècies de Es desitjades en els grans de blat i reduir la toxicitat per a les plantes, per finalment obtenir un millor benefici per a la societat.

El selenio (Se) es uno de los micronutrientes esenciales para un adecuado metabolismo de los seres humanos. Las especies de Se y su concentración tienen un papel clave en su biodisponibilidad. El Se es incorporado en el cuerpo humano a partir de fuentes de alimentos. Hay una correlación directa entre las regiones deficientes de Se y la pobre disponibilidad de Se para la población, desafiando la ingesta recomendada (55-70 μg Se/día, adultos). Las plantas tienen la capacidad natural de transformar especies de Se inorgánico en Se orgánico que es mejor asimilado por los humanos. Sin embargo, hay varios aspectos importantes como el Se total acumulado, límites tolerables, especies de Se en plantas, el metabolismo del Se en los cultivos, los mecanismos que compiten con otros contaminantes del suelo que aún no se han abordado en detalle para diseñar mejor las prácticas de fortificación. Este estudio se centra en la biofortificación del trigo con Se y tiene dos objetivos principales. Primero, analizar la competencia entre Se y contaminantes (Cd o Hg) en cultivos hidropónicos y, segundo, evaluar cómo los diferentes métodos de aplicación de Se (suelo-SA o foliar-FA) afectan a las especies de Se producidas por la planta en cultivo en suelo. En general, nuestro objetivo es comprender los mecanismos y la interacción en las plantas con respecto a la concentración de Se y la transformación química de las especies de Se. En cultivo hidropónico con Cd encontramos que la biomasa y la producción de grano se redujeron por la biofortificación con Se, así como por el Cd. SeMet y SeCyst son las principales especies de Se que se encuentran en los granos biofortificados, aproximadamente 73% y 37%, respectivamente. En presencia de Cd, SeMeCys se está formando mientras se reduce la cantidad de especies de SeMet. Además, se realizaron estudios de expresión de genes en plantas de trigo a jóvenes expuestas a Cd en cultivo hidropónico en genes específicos relacionados con el efecto de la aplicación de Se y Cd. Los genes transportadores de azufre (S) se expresan más especialmente en el tratamiento con Se6+, ya que compiten directamente con el sulfato por la absorción de la planta y los genes que indican el metabolismo muestran diferencias importantes en los tratamientos con Se4+ (también en presencia de Cd), ya que el Se(IV) podría transformarse en especies orgánicas. Los genes de respuesta al estrés afectados por la presencia de Cd se observaron principalmente en los brotes. La especiación de mercurio (Hg) en plantas de trigo biofortificado con Se cultivadas hidropónicamente bajo contaminante Hg mostró que la mezcla 50/50 de Se4+/Se6+ en el tratamiento reduce la acumulación de metilmercurio en los granos ofreciendo cierta protección contra el Hg. La biofortificación del Se en macetas con tierra está influenciada por la solubilidad y movilidad de las especies de Se según las propiedades del suelo (pH, materia orgánica, contenido de arcilla, tipo de suelo). No se han detectado cambios importantes en la biomasa de raíces y hojas en función de los diferentes tratamientos de Se aplicados o del método de aplicación. En el grupo SA, los granos contienen sólo especies C-Se-C, mientras que en el caso de FA está presente una fracción menor (~10%) de C-Se-Se-C. Las C-Se-C son más biodisponibles para los seres humanos, y la biofortificación del Se a través de SA es más eficiente que en FA respecto a los beneficios para la salud. Esta tesis incluye información valiosa para lograr la formación de las especies de Se deseadas en los granos de trigo y reducir la toxicidad para las plantas, para finalmente obtener un mejor beneficio para la sociedad.

Selenium (Se) is one of the essential micronutrients needed for proper metabolic function of humans. The form of the Se species and their concentration have a key role in their bioavailability. Se is incorporated into the human body from food sources. There is a direct correlation between the Se-deficient regions and poor Se availability to the population, challenging the recommended intake (55-70 μg of Se/day for adults). Plants have the natural ability to transform inorganic Se species to more bioavailable organic Se forms which are better assimilated by humans. However, there are several important aspects like the total Se accumulated, tolerable limits for the plants and humans, the species of Se assimilated in the plants, Se metabolism in crops, competing mechanisms with other soil pollutants that are yet to be addressed in detail to better design the fortification practices. This study focuses on the Se-biofortification of wheat and it has two main objectives. Firstly, to analyse the competing behaviour of Se with pollutants (Cd or Hg) in hydroponic culture and, secondly, to assess how different Se application methods (soil-SA or foliar-FA) affect the Se species produced by the plant in soil culture. Overall, we are aiming to understand the mechanisms affected and the possible interaction in the plants with respect to Se concentration and the chemical transformation of Se species. In hydroponic culture with Cd we found that the biomass and grain yield were reduced by the Se biofortification process, as well as by the Cd. SeMet and SeCyst are the major Se species found in Se biofortified grains, approximately 73% and 37%, respectively. In the presence of Cd, SeMeCys is forming while the amount of SeMet species gets reduced. Additionally, molecular gene expression studies on short term wheat plants exposed to Cd in hydroponic culture were performed on specific genes related with the effects from Se and Cd applications. S transporter genes is more expressed especially in Se6+ treatment as they directly compete with sulphate for plant uptake and the genes indicating metabolism shows major differences in Se4+ treatments (also in Cd presence), as Se(IV) could be transformed to organic species. The stress response genes affected by Cd presence were majority seen in shoots. Mercury (Hg) speciation in Se biofortified wheat plants grown hydroponically under Hg pollutant showed that the 50/50 mixture of Se4+/Se6+ species in the treatment reduces the accumulation of methylmercury in grains, offering protection against Hg to a certain extent. Se biofortification in soil pot-culture is influenced by the solubility and mobility of Se species according to the soil properties (pH, organic matter, clay content, type of soil). No major changes on the biomass of roots and leaves has been detected as a function of the different Se treatments applied or by the application method. SA group, grains contain only C–Se–C species while in the case of FA a minor fraction (around 10%) of C–Se–Se–C species is present. The C–Se–C species are more bioavailable for humans, and that Se biofortification via SA is efficient than in FA in terms of the produced health benefits. The thesis reports valuable information for achieving the formation of the desired Se species in wheat grains and reducing the toxicity to the plants, to finally gain better health benefits for the population.