Biotransformacja selenu w roślinach

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 diety w ten pierwiastek. Metoda ta była skutecznie wprowadzana w innych krajach, np. Finlandii. Dotychczasowe badania wykazały, że spożywanie warzyw, które mają zdolność do biotransformacji pobranych z gleby nieorganicznych form selenu w najkorzystniejsze dla człowieka antykancerogenne formy organiczne – selenoaminokwasy (w szczególności SeMetSeCys), może odgrywać znaczną rolę w profilaktyce antynowotworowej. Celem niniejszej pracy było zbadanie procesów biotransformacji selenu w roślinach, 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. Uzyskanie roślin bogatych w aktywne biologicznie, antykancerogenne formy chemiczne selenu, uzależnione jest od poznania drogi chemicznej i biochemicznej transformacji selenu w organizmach roślinnych. Wymagało to przeprowadzenia badań interdyscyplinarnych, umożliwiających otrzymanie komplementarnych wyników. Ze strony biologicznej konieczne było przeprowadzenie badań wyjaśniających procesy pobierania, transportowania oraz przemian związków selenu w tkankach roślin. Ze strony chemicznej potrzebne były badania analityczne, pozwalające na oznaczenie form chemicznych selenu w poszczególnych częściach roślin. Umożliwiło to wybranie formy chemicznej selenu, która po podaniu roślinom jest biotransformowana do najbardziej pożądanych, antynowotworowych form organicznych tego pierwiastka. Równie ważne było zbadania wpływu warunków uprawy roślin na procesy przemian selenu w tkankach. W wyniku badań przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy stwierdzono, iż procesy pobierania, transportu oraz biotransformacji selenu w roślinach zależą w znacznym stopniu od stopnia utlenienia tego pierwiastka. Co więcej, wykazano, iż dużą rolę odgrywają także warunki uprawy. Metabolizm selenu (IV) i (VI) w roślinach cebuli jadalnej (A. cepa L.) uprawianej w glebie przebiega inaczej niż u roślin uprawianych hydroponicznie w pożywce płynnej. Tego rodzaju różnica nie była do tej pory opisywana. Prawdopodobną przyczyną tych różnic wydawała się możliwość pobierania przez rośliny z gleby innych form selenu, niż te, które były do niej dodawane. Przeprowadzono więc szczegółowe badania specjacji selenu w glebie, które wykluczyły taką możliwość. Dopiero badania wykonane z wykorzystaniem metody transmisyjnej mikroskopii elektronowej pozwoliły wyjaśnić obserwowane różnice. Jak wykazała analiza ultrastruktury komórek, przyczyną różnic mogą być inne warunki tlenowe panujące w pożywce płynnej i glebie. Mogą 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, tak aby uzyskać w nich najbardziej pożądane formy organiczne selenu. Z przeprowadzonych badań wynika, iż w celu uzyskania w roślinach cebuli jadalnej antykancerogennych organicznych form selenu, takich jak SeMetSeCys, należy rozważyć kilka czynników: 1) formę i dawkę selenu, która będzie podana roślinom, 2) sposób uprawy, a w szczególności panujące w medium warunki tlenowe. W przypadku nawożenia selenem gleb, korzystne wydaje się stosowanie Se(IV), które skutkuje otrzymaniem w częściach jadalnych roślin 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. Podawanie Se(VI) do gleby jest zdecydowanie mniej korzystne, mimo że również prowadzi do powstania form organicznych selenu. W przypadku Se(VI) należy bowiem zachować większą ostrożność i stosować mniejsze stężenia, gdyż ta forma selenu bardzo intensywnie jest pobierana przez rośliny, co grozi toksycznymi stężeniami w ich tkankach. Dodatkowo, wysokie stężenia Se(VI) hamują wzrost i ograniczają plon. W przypadku upraw hydroponicznych zawsze należy stosować Se(IV), który, w przeciwieństwie do Se(VI), przekształcany jest do form organicznych. Jako dalszy kierunek badań, wskazane byłoby przeprowadzenie eksperymentów polowych, obejmujących długofalowy monitoring, zarówno gleby jak i uprawianych w niej roślin.

Selenium is an essential element for the proper functioning of humans and animals. This is due to its ability to be incorporated in proteins, those important for cell metabolism, classified in the selenoproteins group. A lot of research carried out currently concentrate on anti-cancer properties of selenium, as a clear correlation between increased cancer appearance and deficiency of selenium in diet. Dwellers of the areas deficient in selenium fall ill to cancer diseases significantly more often than dwellers of areas rich in this element. The majority of soils in Poland is considered as deficit soils – poor in selenium. Additionally, a constant decrease of the amount of this element in the diet of the inhabitants of our country is observed, which is caused by, among others, suspension of import of food from the countries rich in selenium. This requires taking actions aimed at supplementing selenium deficiencies in the diet. Fertilization with selenium seems to be a proper manner of increasing diet in this element. This method was successfully implemented in other countries, e.g. in Finland. Research to date shows that consuming vegetables, which have the ability to biotransform inorganic forms of selenium, taken up from the soil, into its organic derivatives – selenoaminoacids (in particular Se-methylselenocysteine) - may play an important role in the prevention of cancer. The aim of this study was to investigate the processes of biotransformation of selenium in plants, as well as to identify factors, that may have an influence on those transformations. The result of this research are necessary to develop a new, most effective method of supplementing crop plants with selenium, in such a way that would allow to obtain plants reach in selenium compounds showing desirable anti-cancer biological activity. Obtaining plants reach in biologically active, anti-cancerogenic chemical forms of selenium depends on learning the paths of chemical and biochemical transformation of selenium in plant organisms. This required conducting interdisciplinary research, allowing to obtain complimentary results. From the biological side research explaining the processes of uptake, transportation and transformation of selenium in plants’ tissues was necessary. On the other hand, analytical studies allowing to determine the chemical forms of selenium (speciation) in the particular parts of plants were required from the chemical side. This allowed to choose chemical form of selenium, which, after being administered to the plants, is biotransformed to the most desirable, anti-cancer organic forms of this element. Studying the influence of the conditions of plants’ cultivation on the selenium transformation processes in plants was equally important. As a result of the studies conducted within this work it was determined that the processes of uptake, transportation and biotransformation of selenium in plants depend in a significant degree on the oxidation state of this element. Moreover, it was shown, that the cultivation conditions play an important role as well. The metabolism of selenium (IV) and (VI) in edible onion (A. cepa L.) plants cultivated in soil run differently than in plants cultivated hydroponically in liquid medium. This kind of difference has not been described until now. The possibility for the plants to uptake from the soil forms of selenium different than those administered to it seems to be the probable reason for those differences. Hence, detailed investigations on speciation of selenium in soil were conducted, which excluded such possibility. It was only the research made using the method of transmission electron microscopy that allowed to explain the observed differences. As the analysis of the cells’ ultrastructure showed, the reason for the said differences may be other oxygen conditions present in liquid medium and in soil. They may influence the activity of the cell’s mitochondria, and in consequence on all cell’s bioenergetics. The detailed investigation of the influence of Se(IV) and Se(VI) on plants had a key meaning in the context of developing safe and efficient method of supplementing plant’s in order to obtain in them the most desirable organic forms of selenium. The research carried out shows that in order to obtain anti-cancerogenic organic forms of selenium, such as Se-methylselenocysteine, in the edible onion’s plants, one should consider several factors: 3) form and dose of selenium, that should be administered to the plants, 4) cultivation’s conditions, and in particular the oxygen conditions present in the medium. In case of fertilizing soil in selenium, it seems to be beneficial to use Se(IV), as it results in obtaining large amounts of Se-methylselenocysteine in the edible parts of plants. Simultaneously, the aforementioned form of this element is translocated to the edible parts of plants’ in a significant degree, whereas its uptake is lower than in case of Se(VI), which limits the risk of overdose. Administering Se(VI) to soil is definitely less favorable, although it still leads to creation of organic forms of selenium. In case of Se(VI) one should be more precautious and use lower concentrations, as this form of selenium is very intensively taken up by plants, which threatens in obtaining toxic concentrations of selenium in their tissues. Additionally, higher concentrations of Se(VI) inhibit growth and limit crop. In case of hydroponic cultivations Se(IV) should be used always, as it – contrary to Se(VI) – is transformed to organic forms. In further research it would be recommended to carry out field investigations, covering long-term monitoring of soil as well as plants cultivated in it.