Selenium biofortification in crops and its cycling in the agroecosystem

Selenium (Se) is an essential element in the nutrition of humans and animals due to its core function in important enzymes and as a component of some proteins. Plants take up and metabolize Se in the same pathway as sulfur (S) because these elements have similar chemical and physical properties. At low dosage, Se is a beneficial element for the growth and development of plants, especially under stress conditions. However, its necessity for a plant’s life cycle has not been proved. Agronomic biofortification is a solution to increase daily nutrient intake in human through the application of mineral micronutrient fertilizers to increase their content in edible parts of crops. In agronomic biofortification via Se fertilizer, plants play an important role in providing the food chain with Se. As compared with inorganic Se, organic Se compounds in plants are less toxic even at higher concentration in human and animal tissues. Most plants accumulate selenomethionine (SeMet) and some Se-accumulators produce selenomethylselenocysteine (SeMSeCys) and its γ-glutamyl derivative. These nonprotein selenoamino acids have anticarcinogenic and antitumor properties in animals and humans. Therefore, the use of plants with high activity of homocysteine/selenocysteine methyl transferase (HMT/SMT) enzyme in biofortification to produce these organic Se compounds is desirable. In Finland, soils are naturally low in bioavailable Se, so some fertilizers have been amended since 1984 with selenate to counteract the negative impact of low Se intake on the health of humans and animals. The uptake, remobilization and loading of Se into seeds are strongly dependent on various factors such as soil properties, Se species and their content in the soil as well as plant species and climatic conditions. Moreover, the recovery of fertilizer Se is low (5-35%) and most applied Se probably remains in soils. The bottlenecks in Se biofortification pathways are not fully understood, so further studies are needed to investigate these bottlenecks and the fate of applied Se in the agroecosystem. The aims of the present study were to identify the bottlenecks in the Se biofortification pathway and to assess the potential of Se-enriched plant residues in soil as Se sources for plants. An additional aim was to investigate the assimilation pathways of Se and its speciation in a biofortified oilseed rape crop. Furthermore, other important crops (wheat and forage grasses) were studied to compare their efficiency (ratio of Se in harvested parts into its application) of Se fertilizer recovery and biofortification under field conditions. Results from a greenhouse experiment indicated that oilseed rape plants accumulated Se (18.7 µg g 1) in their leaves 6 h after soil application of selenate. As expected, 80% of the Se that accumulated in the leaves was in the form of selenate. At 14 days after treatment, the two most accumulated Se species in the leaves were selenate (64%) and SeMet (29%). Eventually, SeMet was the most accumulated Se species (54 - 96%) in the seeds and meal. Six hours after Se treatment only 4% of Se accumulated in the leaves was in the labile form of SeMSeCys. The homology of the amino acid sequences of the SMT enzyme in oilseed rape with B. oleracea and Astragalus, indicated its similarity with non-accumulator B. oleracea plants with dual HMT/SMT activity and this probably resulted in the transience of SeMSeCys accumulation. Further study on the application of various Se forms (selenate and Se-enriched plant residues) illustrated that Se-enriched plant residues in the

Seleenillä (Se) on tärkeä rooli ihmisten ja eläinten ravitsemuksessa, sillä sen toimii tärkeissä entsyymeissä ja joidenkin proteiinien ainesosana. Kasvit ottavat ja metaboloivat seleeniä samalla reitillä kuin rikki (S), koska näillä alkuaineilla on samanlaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet. Suomen maaperässä on luontaisesti vähän kasveille käyttökelpoista seleeniä. Sen vuoksi vuodesta 1984 lähtien joihinkin lannoitteisiin on lisätty selenaattia ehkäisemään seleenin puutosta ihmisillä ja eläimillä. Lannoite-Se saanto on alhainen (5-35 %) ja suurin osa lisätystä seleenistä jää todennäköisesti maaperään. Seleenin biofortifikaatioreittien pullonkauloja ei täysin tunneta, minkä vuoksi niiden selvittäminen on tärkeää. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa seleenin biofortifikaatioreitillä olevat pullonkaulat eri viljelykasveissa ja arvioida maaperään kertyneiden Se-rikastettujen kasvijäämien potentiaalia kasvien Se-lähteinä. Kasvihuonekokeissa saadut tulokset osoittivat, että selenaatti nosti Se-pitoisuutta rapsilla paremmin kuin Se-rikastettujen kasvien lehti- ja olkijäänteet. Lisäksi havaittiin, että rapsin siemeniin Se-spesieksistä eniten kertyi SeMetia (54 - 96%). Runsaammat sateet ja alhaisempi keskilämpötila vuonna 2012 verrattuna vuoteen 2011 vähensivät huomattavasti vehnän ja rapsin lannoite-Se:n ottoon. Maan korkea vesipitoisuus voi aiheuttaa selenaatin huuhtoutumista tai sen pelkistymistä voimakkaammin pidättyvään muotoon. Lisäksi timotei-puna-apilaseoksessa Se-lannoitteiden saanto oli korkeampi (korkeimmillaan 64 % ensimmäisessä sadossa ja 19 % toisessa sadossa) verrattuna vehnään ja rapsiin. Tulosten perusteella tunnistettiin Se-biofortifikaatioreitillä kaksi pullonkaulaa. Ensimmäinen on Se:n biologinen saatavuus maaperästä ja toinen sen rajoitettu siirtyminen siemeniin. Yleisesti voidaan päätellä, että Suomen agroekosysteemeissä epäorgaanisen Se: n käyttö suositellulla määrällä ja rehukasveilla ovat tehokkaimpia tapoja parantaa ihmisten (epäsuorasti) ja eläinten (suoraan) seleenin saantia. Pitkäaikaiset maaperän epäorgaanisten ja orgaanisten Se-poolien seuranta-analyysit osoittivat, että selenaatilla rikastetun 160 kg ha-1 NPK-lannoitteen levittäminen suositellulla määrällä Suomessa ei johda seleenin kerääntymiseen maaperään. Rapsilla sub-boreaalisessa agroekosysteemissä saadut tuloksemme osoittivat, että optimaalisissa ilmasto-olosuhteissa kasvit ottivat alle 50% levitetystä epäorgaanisesta seleenistä ja yli puolet jäi joko maaperään tai haihtui ilmakehään. Vain pieni osa (14 %) seleenistä korjattiin sadon mukana ja loppu palautui maaperään kasvijäämiin sitoutuneena. Havaitsimme myös, että Se-rikastetut kasvien jäänteet eivät olleet tehokkaita Se-kierrätyksessä.

ei saavutettava