Study on the chemical speciation of selenium in its uptake by microgreens and wheat: Influence of liposome-mediated foliar delivery for wheat biofortification

Abstract

El seleni (Se) és un microelement essencial amb importants beneficis per a la salut, i la seva biofortificació en plantes comestibles representa una estratègia prometedora per abordar les deficiències de Se en la dieta humana. Aquesta tesi explora el potencial de la biofortificació amb Se mitjançant dos enfocaments: (1) la integració de pràctiques agronòmiques innovadores com els sistemes de cultiu vertical per a la producció de microverdures enriquides amb Se, molt valorades pel seu alt contingut nutricional, i (2) l’aplicació de nanotecnologia d’avantguarda per millorar la biofortificació foliar del blat utilitzant liposomes com a nanotransportadors.

Inicialment, es van cultivar microverdures de col arrissada, colinabo i blat hidropònic utilitzant una barreja de selenit i selenat sòdic. Els resultats van mostrar un enriquiment exitós amb Se, especialment en la col arrissada i el colinabo, tots dos pertanyents a la família Brassicaceae, sense comprometre les propietats antioxidants de les plantes, la producció de biomassa ni l’absorció de nutrients minerals. De manera important, l’anàlisi d’especiació del Se va revelar una proporció predominant d’espècies orgàniques bioassimilables, com els selenoaminoàcids, en comparació amb les formes inorgàniques, validant el valor nutricional de les microverdures biofortificades amb Se.

En una línia de recerca paral·lela, es van utilitzar liposomes com a nanotransportadors per a l’aplicació foliar de Se en plantes de blat. Els liposomes, fets a partir de DPPC i Phospholipon 90H, van millorar significativament l’absorció de Se en comparació amb l’aplicació directa, sense cap impacte negatiu en la fisiologia de les plantes. L’espectroscòpia d’absorció de raigs X basada en sincrotró va confirmar la transformació del Se inorgànic aplicat en espècies orgàniques bioassimilables, com la selenometionina i la metilseleniocisteïna, especialment als grans de blat, indicant una translocació i assimilació metabòlica eficaces influenciades per l’ús dels liposomes.

A més, l’aplicació de tècniques d’imatge i espectroscòpia avançades, com la µ-XRF basada en sincrotró i la microscòpia confocal, va proporcionar informació valuosa sobre els mecanismes d’absorció i transport del Se encapsulat en liposomes. Aquestes anàlisis van revelar la naturalesa d’alliberament controlat de les formulacions liposomals i van demostrar la capacitat dels liposomes per penetrar les superfícies folials en un termini de 24 hores, optimitzant l’absorció del Se i minimitzant possibles efectes tòxics o l’impacte ambiental.

En conjunt, aquests resultats demostren l’eficàcia de les estratègies de biofortificació amb Se tant directes com assistides amb nanotecnologia, i el seu potencial per al desenvolupament d’aliments funcionals. Aquesta investigació aporta coneixement clau sobre la biofortificació amb Se en cultius, subratllant la seva importància per a la nutrició humana, la fisiologia vegetal i les pràctiques agrícoles sostenibles. La novetat d’aquest treball rau en l’anàlisi exhaustiva de l’especiació de les microverdures enriquides amb Se, una àrea poc explorada en la literatura científica, i en l’ús de liposomes com a nanotransportadors per a l’alliberament controlat de Se a les plantes. Els resultats demostren que el Se encapsulat en liposomes, aplicat via foliar, no només millora l’absorció del Se en el blat, sinó que també promou la seva conversió en formes orgàniques altament bioassimilables.

El selenio (Se) es un microelemento esencial con importantes beneficios para la salud, y su biofortificación en plantas comestibles representa una estrategia prometedora para abordar las deficiencias de Se en la dieta humana. Esta tesis explora el potencial de la biofortificación con Se mediante dos enfoques: (1) la integración de prácticas agronómicas innovadoras, como los sistemas de cultivo vertical, para la producción de microverduras enriquecidas con Se, muy valoradas por su alto contenido nutricional, y (2) la aplicación de nanotecnología de vanguardia para mejorar la biofortificación foliar del trigo utilizando liposomas como nanotransportadores.

Inicialmente, se cultivaron microverduras de col rizada, colinabo y trigo en hidropónico utilizando una mezcla de selenito y selenato de sodio. Los resultados mostraron un enriquecimiento exitoso con Se, especialmente en la col rizada y el colinabo, ambos pertenecientes a la familia Brassicaceae, sin comprometer las propiedades antioxidantes de las plantas, la producción de biomasa ni la absorción de nutrientes minerales. De manera importante, el análisis de especiación del Se reveló una proporción predominante de especies orgánicas de Se bioasimilables, como los selenoaminoácidos, en comparación con las formas inorgánicas, lo que valida aún más la biodisponibilidad de este oligoelemento y el valor nutricional de las microverduras biofortificadas.

En una línea de investigación paralela, se utilizaron liposomas como nanotransportadores para la aplicación de Se en la biofortificación foliar de plantas de trigo. Los liposomas, elaborados a partir de DPPC y Phospholipon 90H, mejoraron significativamente la absorción de Se en comparación con la aplicación directa de Se, sin causar efectos negativos en la fisiología de las plantas. La espectroscopía de absorción de rayos X basada en sincrotrón confirmó la transformación del Se inorgánico aplicado en especies orgánicas bioasimilables, como la selenometionina y la metilselenocisteína, especialmente en los granos de trigo, lo que indica una translocación y asimilación metabólica eficaces del Se influenciadas por el uso de liposomas.

Además, la aplicación de técnicas avanzadas de imagen y espectroscopía, como µ-FRX basada en sincrotrón y microscopía confocal, proporcionó información valiosa sobre los mecanismos de absorción y transporte del Se encapsulado en liposomas. Estos análisis revelaron la naturaleza de liberación controlada de las formulaciones liposomales y demostraron la capacidad de los liposomas para penetrar las superficies foliares en un plazo de 24 horas, optimizando la absorción de Se y minimizando posibles efectos tóxicos o el impacto ambiental.

En conjunto, estos hallazgos demuestran la eficacia de las estrategias de biofortificación con Se tanto directas como asistidas por nanotecnología, y su potencial aplicación en el desarrollo de alimentos funcionales. Esta investigación aporta conocimientos clave sobre la biofortificación con Se en cultivos, destacando su relevancia para la nutrición humana, la fisiología vegetal y las prácticas agrícolas sostenibles. La novedad de este trabajo radica en el análisis exhaustivo de la especiación de las microverduras enriquecidos con Se, un área poco explorada en la literatura científica, y en el uso de liposomas como nanotransportadores para la liberación controlada de Se en las plantas. Los resultados demuestran que el Se encapsulado en liposomas, aplicado por vía foliar, no solo mejora la absorción de Se en el trigo, sino que también promueve su conversión en formas orgánicas altamente bioasimilables.

Selenium (Se) is an essential trace element with notable health benefits, and its biofortification in edible plants is a promising strategy to address Se deficiencies in the human diet. This thesis explores the potential of Se biofortification in two approaches: (1) the integration of innovative agronomic practices as vertical farming systems to produce Se-enriched microgreens, highly valued for their elevated nutrient content and, (2) the application of cutting-edge nanotechnology to improve foliar Se biofortification of wheat using liposomes as nanocarriers.

Initially, microgreens of kale, kohlrabi, and wheat were cultivated hydroponically using a mixture of sodium selenite and selenate. The results showed a successful Se enrichment, especially in kale and kohlrabi from Brassicaceae family, without compromising the plant’s antioxidant properties, biomass production, and mineral nutrient uptake. Importantly, Se speciation analysis revealed a predominant proportion of bioavailable organic Se species, such as selenoamino acids compared to inorganic forms, further validating the nutritional value of the Se-biofortified microgreens.

In a parallel line of research, liposomes were used as nanocarriers for Se application in foliar biofortification of wheat plants. Liposomes made from DPPC and Phospholipon 90H significantly enhanced Se uptake compared to Se direct application method, with no negative impact on plant physiology. Synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy confirmed the transformation of applied inorganic Se into bioavailable organic species, like selenomethionine and methylselenocysteine in wheat tissues, especially in wheat grains, indicating an effective Se translocation and metabolic assimilation influenced using the liposomes. Moreover, the application of advanced imaging and spectroscopic techniques, such as synchrotron-based µ-XRF and confocal microscopy, provided valuable insights into the absorption and transport mechanisms of liposome-encapsulated Se. These analyses revealed a controlled-release nature of liposomal formulations and demonstrate the liposomes’ ability to penetrate leaf surfaces within 24 hours, optimizing Se absorption while minimizing potential toxicity or environmental impact.

Together, these findings demonstrate the efficacy of both direct and nano-assisted Se biofortification strategies and their potential application in developing functional foods. The research provides key insights into Se biofortification of crops, highlighting its relevance to human nutrition, plant physiology, and sustainable agricultural practices. The novelty of this work lies in the comprehensive speciation analysis of Se-enriched microgreens, an area that has been scarcely explored in the scientific literature, and the use of liposome nanocarriers for the controlled delivery of Se to plants. The results demonstrate that liposome-encapsulated Se, applied via foliar spraying, not only enhance Se uptake in wheat but also promotes its conversion into highly bioavailable organic forms.