Διαχείρηση του σιδήρου σε φυτά αραβοσίτου που αναπτύσσονται σε συνθήκες έλλειψης θειικών

Abstract

Η πρόσληψη και η διαχείρηση του σιδήρου αποτελεί ένα μεγάλο πεδίο έρευνας για τη φυσιολογία της θρέψης του φυτού. Στις διαδικασίες αυτές συμμετέχουν διάφοροι μεταβολίτες, πρωτεΐνες, μορφολογικές δομές και βιοχημικές διεργασίες που καταλύουν διεργασίες σχετικές με την διαχείρησή του. Συγκεκριμένα, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της ριζόσφαιρας ευνοούν τη δημιουργία εναποθέσεων σιδήρου που κάνει το πρόβλημα της πρόσληψης του σιδήρου ακόμα πιο περίπλοκο. Ο σίδηρος που υπάρχει στο θρεπτικό διάλυμα προσλαμβάνεται από το φυτό με την απελευθέρωση φυτοσιδηροφόρων, που είναι τροποποιημένα μόρια νικοτιαναμίνης. Τα φυτοσιδηροφόρα (PS) δεσμεύουν τον Fe3+και το σύμπλοκο Fe-PS περνάει μέσα από τα επιδερμικά κύτταρα της ρίζας με τον μεταφορέα ZmYS1. Ο σίδηρος στη συνέχεια διακινείται μέσα στο φυτό με το σύμπλεγμα νικοτιαναμίνης-Fe ή κιτρικού-Fe. Για τη διακυτταρική μεταφορά του συμπλόκου χρησιμοποιούνται γενικότερα μεταφορείς τύπου YSL που για την περίπτωση του αραβοσίτου, απαντούν στην ίδια ισομορφή με τον YS1. Η μελέτη έγινε σε φυτά καλαμποκιού που αναπτύχθηκαν σε σύστημα υδροπονίας με θρεπτικό διάλυμα ελλειμματικό σε θείο, καθώς και σε πλήρες θρεπτικό διάλυμα και μελετήθηκε η κατανομή του σιδήρου στο σπόρο, το υπέργειο και το ριζικό. Τα δείγματα προετοιμάστηκαν κατάλληλα και ο σίδηρος προσδιορίστηκε με ατομική απορρόφηση. Στα δείγματα έγινε χειρισμός με DCB ένα διάλυμα αλάτων το οποίο συμπλοκοποιεί το σίδηρο και τον απομακρύνει από τις εξωτερικές επιφάνειες των επιδερμικών κυττάρων. Τα επίπεδα του σιδήρου στη ρίζα μετά τον χειρισμό είναι έντονα μειωμένα, όπως επίσης χαμηλότερος ήταν και στο σπόρο και στα φύλλα. Επαληθεύτηκε η σχέση του θείου με το σίδηρο όπου μειωμένη πρόσληψη θείου, οδηγεί σε χαμηλά επίπεδα σιδήρου στους ιστούς. Παράλληλα, συσχετίστηκε η ξηρή μάζα με τον περιεχόμενο σίδηρο χωρίς και με το χειρισμό με DCB και βρέθηκε ότι η συσσώρευση του σιδήρου έχει θετική συσχέτιση με την αύξηση της βιομάζας στα control φυτά αλλά αρνητική στα –S φυτά. Σε επόμενη φάση εφαρμόστηκε ιστοχημική χρώση Perl στο ριζικό σύστημα των φυτών και ακολούθησε μακροσκοπική και στερεοσκοπική παρατήρηση. Η μακροσκοπική παρατήρηση ολόκληρου του ριζικού συστήματος, εξαιτίας της διαβάθμισης του prussian blue που σχηματιζόταν έδειξε ότι πιθανόν στη ρίζα να υπάρχουν ιόντα Fe τόσο δισθενή όσο και τρισθενή. Η μακροσκοπική παρατήρηση των διαφόρων μερών της ρίζας οδήγησε σε χαρτογράφηση της χρώσης στις πρωτογενείς, δευτερογενείς και βλαστογενείς ρίζες, με άμεσο αποτέλεσμα την συσχέτιση της άβαφης περιοχής με το ακρορίζιο, περιοχή από την οποία εκκρίνονται τα φυτοσιδηροφόρα. Επιπλέον, η στερεοσκοπική παρατήρηση έδωσε μια εικόνα των εναποθέσεων στη ρίζα, το σπόρο και τη βάση του βλαστού, ορίζοντας τις εναποθέσεις ως λεπτά υμένια που δεν εισέρχονται στα επιδερμικά κύτταρα, βλέννες που συναντώνται στη ριζόσφαιρα γενικά αλλά και ειδικότερα κοντά στο ακρορίζιο (root mucilage) και σχηματισμούς δικτύων στις επίπεδες επιφάνειες του σπόρου και του βλαστού. Τέλος, έγινε μελέτη του μεταφορέα ZmYS1 με τη μέθοδο της qRT-PCR, σε φυτά που αναπτύχθηκαν σε πλήρες θρεπτικό διάλυμα και σε θρεπτικό ελλειμματικό σε θείο. Η έκφραση του μεταφορέα βρέθηκε μικρή και μόνο για τις πρώτες μέρες του πειράματος στο υπέργειο και τη ρίζα των control φυτών, ενώ φάνηκε ένα ασθενές σήμα για τις ρίζες των –S φυτών, που όμως σε σχέση με το μηδενικό σήμα που αντιστοιχεί στα φύλλα αποτελεί μια σημαντική έκφραση του μεταφορέα.

Iron intake and management is a major area of research for plant nutrition physiology.

A number of metabolites, proteins, structures and biochemical functions are involved in these procedures.

More specific, iron depositions which are formed in the rhizosphere make the problem of iron’s intake more complicated. Iron that is diluted at the nutrient solution is

absorbed

by binding molecules, phytosiderophores (PS), which are modified nicotainamine

molecules. PS chelates Fe 6

3+ and the PS-Fe comlex is tranfered into root’s epidermal cells using ZmYS1 transporter. Iron trafficks in the plant as a nicotianamine-PS

complex or citric-Fe complex. This complex passes through parenchyma

or companion cells, or other type of cells, by YS1 transporters in the aboveground tissues, as well.

Iron

deposition was monitored in maize plants cultivated in hydroponic system by means of a sulfur-deprived nutrient solution against a complete one. After samples processing, iron concentration was determined by atomic absorption spectrometry. Also, DCB treatment was performed, as this salt solution is capable for chelating iron and removing it from the surface of the root epidermal cells. Iron’s levels were found to be reduced after this treatment. Iron was reduced in seeds and leaves after DCB treatment. Α consequence of the –S treatment the iron levels were reduced in the plant tissues. Moreover, the dry mass accumulation was correlated with the accumulated iron amounts before and after DCB treatment and is was found that iron accumulation was positively correlated with the increase of biomass in control plants, whilst it was negatively correlated in the -S plants.

In addition, the whole root system of plants showed that in the rhizosphere Fe

cations may coexist with Fe 2+ ones. Stain mapping in the root reavealed that the root tip area was unstained, a result that is in line with phytosiderophores release by this root section. Iron deposition seemed to coexist in various formes, like thin layers are not entering the epidermal cell’s symplast, and accumulated mucus at the epidermal cells surface, as well as the seed and shoot surfaces in contact with the nutrient solution.

Finally,

ZmYS1 gene expression was studied by means of qRT-PCR relative to ubiquitine

in both sulphur deprived maize plantlets and control ones. When the plants were grown in the complete nutrient solution ZmYS1 was expressed in lower levels and only at the beginning of the experiment. On the other hand, the weak signal which observed in the –S roots was a remarkable result compared with the diminutive ZmYS1 expression in shoots and leaves.