Strategies for agronomic biofortification of rice with selenium in tropical agroecosystems

Selenium (Se) is an essential element for humans and animals. Its role in humans and animals is related to the activity of more than 25 selenoproteins, formed from the naturally occurring amino acids selenocysteine and selenomethionine (e.g. glutathione peroxidase). Selenium intake by humans depends fundamentally on the nutritional quality of the food with respect to this nutrient. In many regions of the world, especially in the tropics soils present a low content of Se. This is the main factor responsible for the low availability of Se for plants. In this sense, the agronomic biofortification of food with Se is a good strategy that can be used to enrich agricultural crops (as rice) decreasing the incidence of diseases in vulnerable populations. This study aimed to investigate the effects of the application of Se via soil (SeVI) and via leaf (SeIV and SeVI) on: i) grain yield; ii) contents of Se in different parts of the plant and of the grain; iii) physiological variables; and, iv) spatial distribution of Se and other elements in biofortified rice grains. Experiments were carried out in two agricultural production fields. Selenium rates ranging from 5 to 120 g ha-1 were evaluated in four replicates on Lambari-MG (Cropping seasons of 2015/2016 and 2016/2017) and Patos de Minas-MG (Cropping season of 2016/2017) municipalities. The application of SeVI via soil was carried out coating the fertilizer monoammonium phosphate (MAP) or as saline solutions. The application of SeIV and SeVI via leaf was carried out using saline solution at the flowering and grain-filling stages of rice. The physiological variables in all treatments were evaluated in the leaves. After harvest, grain yield, Se, macro, and micronutrient contents were determined in different parts of the rice plant. The results showed that the supplied Se rates positively affected some physiological variables and improved the nutritional quality of the polished rice grains in terms of their Se contents. Only a low percentage of the Se supplied to the plants was uptake by the grains. Adequate Se contents in the polished grain were achieved with the assessed Se rates, allowing safe consumption of Se for humans. The spatial distribution of the elements varied in the grain, with the highest concentration of Se being found in the endosperm. Other elements, as Fe, Ca, Zn, K, and Mn were located in the husk or in the embryo of the grain. We conclude that concluded that the agronomic biofortification of rice with Se is a promising strategy for tropical soils. However, peeling and polishing the rice grain can lead to significant losses of Se, macronutrients (as K and P), and micronutrients (as Zn and Fe).

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

O selênio (Se) é um elemento essencial para humanos e animais. O seu papel nos humanos e nos animais está relacionado à atividade de mais de 25 selenoproteínas, as quais são formadas a partir dos aminoácidos selenocisteína e selenometionina (e.g. glutationa peroxidase). A ingestão de Se pelos seres humanos depende fundamentalmente da qualidade nutricional dos alimentos quanto aos teores desse elemento. Em muitas regiões do mundo, especialmente as tropicais, os solos apresentam baixos teores de Se, sendo essa a principal razão da baixa disponibilidade de Se para as plantas. Nesse sentido, a biofortificação agronômica de alimentos com Se é uma boa estratégia que pode ser utilizada para enriquecer os alimentos básicos (como o arroz), diminuindo a incidência de doenças em populações vulneráveis. Este trabalho teve como objetivo investigar os efeitos da aplicação de Se via solo (SeVI) e via folha (SeIV e SeVI) sobre: i) produtividade de grãos; ii) teor de Se em diferentes partes da planta e do grão; iii) variáveis fisiológicas; e iv) distribuição espacial de Se e outros elementos em grãos de arroz biofortificados. Os experimentos foram realizados em dois campos de produção agrícola. Doses de Se variando de 5 a 120 g ha-1 foram avaliadas em quatro repetições nos municípios de Lambari-MG (safras 2015/2016 e 2016/2017) e Patos de Minas- MG (safra 2016/2017). A aplicação de SeVI via solo foi realizada em revestimento do fertilizante monoamônio fosfato (MAP) ou como solução salina. A aplicação de SeIV e SeVI via folha foi realizada utilizando solução salina nas fases de floração e enchimento de grãos de arroz. As variáveis fisiológicas em todos os tratamentos foram avaliadas nas folhas. Após a colheita, a produtividade de grãos e o teor de macro e micronutrientes foram determinados em diferentes partes da planta de arroz. Os resultados mostraram que as doses de Se fornecidas afetaram positivamente algumas variáveis fisiológicas e melhoraram a qualidade nutricional dos grãos polidos quanto aos seus teores de Se. Apenas uma baixa porcentagem de Se fornecida às plantas foi absorvida pelos grãos. Pela aplicação das doses de Se estudadas, uma quantidade adequada de Se no grão polido foi alcançada, permitindo o consumo seguro de Se para humanos. Houve variação na distribuição espacial dos elementos dentro do grão, sendo a maior concentração de Se encontrada no endosperma. Outros elementos, como Fe, Ca, Zn, K e Mn, foram localizados na casca ou no embrião do grão de arroz biofortificado. Conclui-se que a biofortificação agronômica do arroz com Se é uma estratégia promissora para solos tropicais. Entretanto, a descasca e polimento do grão de arroz pode levar a perdas significativas de Se, macronutrientes (como K e P) e micronutrientes (como Zn e Fe).