 |
Investigation of the main chemical factors influencing the effectiveness of iron uptake in plants – a Mössbauer spectroscopic study
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
111979 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Kovács, Krisztina |
| Title in Hungarian |
Különböző kémiai tényezők hatása a növények vasfelvételének fokozására – Mössbauer spektroszkópiai vizsgálatok |
| Title in English |
Investigation of the main chemical factors influencing the effectiveness of iron uptake in plants – a Mössbauer spectroscopic study |
| Keywords in Hungarian |
Mössbauer-spektroszkópia, növényi vasellátás, vas komplexek |
| Keywords in English |
Mössbauer spectroscopy, plant-iron nutrition, iron complexes |
| Discipline |
| Structural Determination Methods (Council of Physical Sciences) | 50 % | | Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Instrumental analysis | | Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Plant nutrition |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University) |
| Starting date |
2014-09-01 |
| Closing date |
2018-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
8.930 |
| FTE (full time equivalent) |
2.28 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat elsődleges célja a növények vas-homeosztázisának vizsgálata, mely elősegíti a vasfelvételt befolyásoló tényezők részletesebb megismerését. A növények vasellátását biztosító vegyületek hatékonyságát számos kémiai és biológiai tényező befolyásolja, pl. a komplexek stabilitása, a tápoldatban kialakuló vasformák, a vas oxidációs állapotának változása a felvételkor, illetve más vegyületek, ionok (nehézfémek, a gyökér által termelt anyagok) jelenléte a környezetben. Ezen tényezők hatása jelenleg csak részben ismert, így a munka kulcskérdése a vas kémiai környezetének és reakcióinak vizsgálata a növénybe történő felvétel alatt. Ehhez a 57Fe Mössbauer-spektroszkópia, mint elsődleges szerkezetvizsgáló módszer, kiváló és hatékony lehetőséget biztosít.
A munka három specifikus tárgy köré csoportosítható: i) a vas kémiai környezetének vizsgálata a növény által termelt szerves anyagok (pl. aszkorbinsav, citromsav, fenolos vegyületek) jelenlétében; ii) a vas oxidációs állapotának hatása a vas növénybeli megoszlására; iii) idegen ionok (As(III) és As(V)) hatása a vas növénybe történő felvételére, raktározására és a növényen belüli mobilitására. A fent felsorolt, növényélettani szempontból jelentős problémák átfogó vizsgálatára a vasfelvétel szempontjából mind az első, mind a második stratégiát követő tesztnövényeket is alkalmazunk. Remélhetőleg a kapott ismeretek elősegítik olyan új, hatékony vasvegyületek fejlesztését, melyeket a mezőgazdaságban meszes talajokon vashiány kezelésére alkalmazni lehet.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A pályázat fő kérdése a különböző körülmények között nevelt növényekben kialakuló vasvegyületek részletes megismerése. A pályázat szorosan kapcsolódik a pályázó korábbi kutatási témájához, mely néhány természetes eredetű vaskomplex hatékonyságát vizsgálta.
Jelen munka során a vas kémiai környezetét vizsgáljuk olyan vasvegyületekben, melyek a növényekben nagy mennyiségben jelen lévő anyagok (pl. citromsav, aszkorbinsav, fenolos vegyületek) jelenlétében alakulnak ki. Megpróbálunk az említett vasvegyületek kémiai tulajdonságai és biológiai hatékonysága között összefüggést találni. Ezen felül megvizsgáljuk mind az első, mind a második vasfelvételi stratégiát követő növényekben a különböző vasellátás hatására kialakuló vasvegyületeket, különös tekintettel a +2 oxidációs állapotú vas szerepére. A vas növényen belüli mobilitásában kulcsszerepet játszik a sejtfalban és/vagy a levélen történő esetleges vastartalmú csapadékképződés, így ennek vizsgálatát is tervezzük mind +3, mind +2 oxidációs állapotú vas alkalmazása esetén. Egyéb – többnyire mérgező hatású – fémionok jelentősen befolyásolják az esszenciális mikroelemek felvételét. Mivel az arzén korábbi vizsgálatok alapján jelentős változásokat okoz a növényi anyagcserében (oxidatív stressz), az arzenit/arzenát vasfelvételre gyakorolt hatását is megvizsgáljuk.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Mivel a vas elérhetősége az élő szervezetek számára erősen korlátozott, a növények megfelelő vasellátásának biztosítása – főleg meszes talajon – világszerte jelentős mezőgazdasági probléma. Emiatt jelentős erőfeszítéseket tesznek olyan új, hatékony vasvegyületek előállítására, melyek alkalmasak a növényeket vassal ellátni. Ilyen vasvegyületek fejlesztésében kulcsszerepet játszik a növények vas-homeosztázisának részletes ismerete.
A 57Fe Mössbauer-spektroszkópia lehetőséget biztosít az említett tudományterület hatékony vizsgálatára, mivel szelektíven képes mind a komplexben, mind a növényben megkötött vas kémiai környezetéről, átalakulásairól információt adni. A különböző vasvegyületek kémiai tulajdonságai és biológiai hasznosulása között fennálló összefüggések ismerete szükséges a megfelelő hatékonyságú (és lehetőleg természetes eredetű) vaskomplexek előállításához.
Ilyen komplexek lehetnek a vas növényi szervezet által nagy mennyiségben előállított szerves anyagokkal képzett vegyületei. Jelen pályázatban három növényi eredetű anyagot vizsgálunk: i) citromsav, mely a növényen belüli vastranszport kulcsvegyülete; ii) aszkorbinsav, mely a növényi sejtek legfontosabb antioxidáns vegyülete; iii) fenolos anyagok, flavonoidok, melyek vashiányos növények gyökerében nagy mennyiségben képződnek. Ezen felül a mérgező arzenit és arzenát ionok vasfelvételre gyakorolt hatását is vizsgáljuk.
Természetesen a fent említett vasvegyületek teljes kémiai és biológia vizsgálata nem valósítható meg kizárólag a három éves pályázat keretein belül, de a kapott eredmények fontos kiindulási információkat adhatnak további, összetett növényfiziológiai vizsgálatokhoz, akár ültetvényeken is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Már a 19. század végétől kezdve ismert volt, hogy a növényeknek – kisebb mennyiségben - a szénen, oxigénen és nitrogénen kívül számos más, szervetlen elemre is szüksége van a megfelelő növekedéshez. Ezeket az elemeket esszenciális mikroelemeknek nevezzük és számos enzim fontos alkotórészei. Az esszenciális mikroelemek közé tartozik többek között a vas, melynek elsődleges szerepe a fotoszintetikus rendszer működésében van. Így a vas növénybe történő felvétele, szállítása fontos kérdés a növényélettan számára. Jóllehet a vas a talajban viszonylag nagy mennyiségben fordul elő oxidok formájában, ezek rossz oldhatósága miatt az élő szervezet számára gyakran elérhetetlen a szükséges mennyiségben. Emiatt kifejlesztettek olyan speciális vasvegyületeket, melyek képesek a növények számára a megfelelő vasellátást biztosítani.
Jelen pályázat célja, hogy jobban megismerjük az említett vasvegyületek hatékonyságát befolyásoló tényezőket, így fokozni tudjuk a vas növénybeli hasznosulását. A munka során megvizsgáljuk, milyen vasvegyületek képződnek a növényi szervezetben olyan szerves vegyületek jelenlétében, melyeket a növényi sejtek maguk is nagy mennyiségben képesek előállítani. Mivel a növényi vasfelvételt a környezetben lévő egyéb fémionok felvétele is nagymértékben befolyásolja, megvizsgáljuk egyes mérgező elemek (arzénvegyületek) vasfelvételre gyakorolt hatásait. Remélhetőleg a kapott eredmények alapot adnak további átfogó növényfiziológiai vizsgálatokhoz, melyek a mezőgazdaságban történő alkalmazást segíthetik elő.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The global goal of the project is to improve the current state of knowledge on iron homeostasis in plants and thus, elucidate the main factors that influence the effectiveness of iron supply for plants. The efficacy of iron compounds used as iron fertilizers is strongly influenced by many chemical and biological factors like stability of the iron complexes, speciation of iron in the nutrient solution, redox transitions of iron during the uptake process, influence of other elements (e.g. metal ions, organic compounds released by the root to the rhizosphere) present in the environment. However, at the present stage of knowledge, many aspects of these factors are still unclear and not well resolved. Since the key question of the project is the chemical environment of Fe and its transitions during uptake, 57Fe Mössbauer spectroscopy seems to be a very promising and powerful method to be applied in this topic.
To achieve our aims, three specific objectives are proposed: i) study the iron speciation in the presence of organic compounds related to plants (e.g. ascorbic and citric acid, phenolic compounds); ii) study the effect of the valence state of iron on the speciation of iron in plants; iii) study the effect of foreign ions (As(III) and As(V)) on the speciation and mobilization of Fe in plants. In order to get a complex picture on these topics and obtain relevant information also for plant physiology, specific test plants belonging to both Strategy I and II iron uptake mechanisms will be used. We hope that the new results obtained can further help in developing new, effective Fe-agents suitable to correct Fe chlorosis at field conditions.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main question this proposal addresses is the speciation of iron in plants grown at specific conditions. The project is strongly related to the previous research topic of the applicant on the effectiveness of some natural iron complexes applied as iron fertilizers. Hence, Mössbauer spectroscopy will be applied to the study of Fe speciation and chemical environment in Fe complexes prepared with plant related organic compounds (e.g. citric and ascorbic acid, phenolic compounds). We try to relate the chemical characteristics with the effectiveness of these Fe compounds in correcting Fe deficiencies. Moreover, the Fe species formed after Fe uptake by both Strategy I and II test plants will be also studied, paying special attention to the role of divalent iron in the uptake processes. The Fe precipitation in the root apoplast and/or leaf surfaces is also a key question in the mobilization of iron, thus it will be monitored with the help of Mössbauer spectroscopy applying +3 and +2 iron compounds, respectively. The presence of toxic metal ions, like As(III) or As(V) in the environment arises the question of possible interactions between As and the essential micronutrients as Fe. Since previous studies on arsenic compounds have shown significant changes in plant metabolism (e.g. according to the oxidative stress), the interaction between Fe complexes and arsenite/arsenate will be studied, too, including the changes of iron speciation in plant roots grown in the presence of arsenic compounds.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Since the biological availability of iron is a common nutritional problem affecting most agricultural crops on calcareous soils world-wide, a strong attempt is made on producing more and more effective Fe compounds suitable for a proper Fe supply. A pre-requisite for the development of such compounds is a detailed knowledge on the iron homeostasis of plants. The implication of specific techniques, like 57Fe Mössbauer spectroscopy, can help to gain a better insight into this topic, because it is a unique tool for the selective monitoring of the reactions and transformations of Fe both in the nutrient/soil solution and in the plant. The relation of chemical characteristics of Fe complexes to Fe speciation in roots and leaves of different plants can further help to develop effective and – if possible – natural iron fertilizers.
Fe complexes formed with organic compounds synthesised and released by plant organs could be good candidates for such Fe complexes applied in Fe deficiency. Present proposal focuses on three main substances: i) citric acid, which was shown to be a key compound in the transport and mobilization of Fe in plants; ii) ascorbic acid, which is one of the most abundant antioxidant molecules in plant cells and takes part in several physiological processes and iii) phenolic compounds which were shown to be the main exudates of root in response to Fe deficiency. Moreover, an attempt is made to study the effect of toxic arsenic compounds on Fe mobilization from these compounds, too.
Naturally, the complete study on the efficacy of the Fe compounds listed above cannot be carried out in the framework of this three-year project only, but the expected results could be important starting points for plant scientists to a more detailed study applying bioassay tests at in-field conditions.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
It is well known already from the end of the 19th century that for proper growth, plants need not only carbon, nitrogen and oxygen but in low quantity also many inorganic elements including metal ions. These are called essential micronutrients and are incorporated mostly in enzymes. One of these microelements is iron which has a very important role e.g. in the photosynthetic apparatus. Thus, the uptake, transport and mobility of iron are of great importance. Unfortunately, in most soils, although iron is present in a high concentration as oxides, because of their low solubility, the biological availability of iron is very limited. For this reason, plant scientists have proposed the application of special iron compounds (called fertilizers) which are able to supply plants with enough iron at in-field conditions.
The aim of the project is to improve the current state of knowledge on the factors that influence the efficiency of iron fertilizers and thus, to help in finding new, effective compounds which can be further used as iron supply for plants. To achieve our goals we will study the iron species formed in different plants in the presence of some organic compounds which are naturally produced also by plant cells. In addition, because the uptake and transport of metal ions are in strong interaction, the effect of some toxic elements (arsenic compounds) on the iron uptake and storage will also be studied. Hopefully, our results will give basic information for plant physiologist for further bioassay tests and thus they can help in agronomic applications.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Martin-Fernandez C, Solti A, Czech Viktoria, Kovács Krisztina, Fodor F, Garate A, Hernandez-Apaolaza L, Lucena JJ: Response of soybean plants to the application of synthetic and biodegradable Fe chelates and Fe complexes, PLANT PHYSIOL BIOCH 118: pp. 579-588., 2017 | | Krisztina Kovács, Jiří Pechoušek, Libor Machala, Radek Zbořil, Zoltán Klencsár, Ádám Solti, Brigitta Tóth, Brigitta Müller, Hong Diep Pham, Zoltán Kristóf, Ferenc Fodor: Revisiting the iron pools in cucumber roots: identification and localization, PLANTA 244: pp. 167-179., 2016 | | Solti Á, Kovács K, Müller B, Vázquez S, Hamar É, Pham HD, Tóth B, Abadía J, Fodor F: Does a voltage-sensitive outer envelope transport mechanism contribute to the chloroplast iron uptake?, PLANTA 244: (6) pp. 1303-1313., 2016 | | Kovács Krisztina, Fodor Ferenc, Solti Ádám: Mössbauer spectroscopic investigation of iron deficient plants supplied with divalent Fe source, In: Lucena J J, Carrasco-Gil S, López-Rayo S, Gárate A, Hernández-Apaolaza L, Yunta F (szerk.) (szerk.) Iron Nutrition in Plants - Abstracts of the 18th International Symposium on Iron Nutrition and Interactions in Plants. Madrid: Universidad Autónoma de Madrid, 2016. pp. S4-PO-05., 2016 | | Martín-Fernández Clara, Solti Ádám, Czech Viktória, Kovács Krisztina, Fodor Ferenc, Garáte Agustín, Hernández-Apaolaza Lurdes, Lucena Juan Sosé: Soybean and cucumber plants response to the application of synthetic and biodegradable Fe chelates and Fe complexes, In: Lucena J J, Carrasco-Gil S, López-Rayo S, Gárate A, Hernández-Apaolaza L, Yunta F (szerk.) (szerk.) Iron Nutrition in Plants - Abstracts of the 18th International Symposium on Iron Nutrition and Interactions in Plants. Madrid: Universidad Autónoma de Madrid, 2016. pp. S2-PO-05., 2016 | | Müller Brigitta, Pham Hong Diep, Szenthe Kálmán, Hamar Éva, Kovács Krisztina, Sárvári Éva, Fodor Ferenc, Solti Ádám: Mechamism and regulation of chloroplast iron uptake, In: Lucena J J, Carrasco-Gil S, López-Rayo S, Gárate A, Hernández-Apaolaza L, Yunta F (szerk.) (szerk.) Iron Nutrition in Plants - Abstracts of the 18th International Symposium on Iron Nutrition and Interactions in Plants. Madrid: Universidad Autónoma de Madrid, 2016. pp. S4-OR-01., 2016 | | K. Kovács, F. Fodor, Á. Solti: Mössbauer spectroscopic investigation of plant roots supplied with 57Fe(II)-ascorbate complex, Int. Conf. on the Appl. of Mössbauer Effect, p. 307, 2015 | | K. Kovács, F. Fodor, Á. Solti: Mössbauer spectroscopic study of the oxidation state of iron in plant roots during the iron uptake process, European Symposium on Atomic Spectrometry, ESAS-2016-OL-32, 2016 | | K. Kovács, F. Fodor, Á. Solti: Mössbauer spectroscopic investigation of iron deficient plants supplied with divalent Fe source, International Symposium on Iron Nutrition and Interaction in Plants, S4-PO-05, 2016 | | K. Kovács, J. Pechoušek, L. Machala, R. Zbořil, Á. Solti, B. Tóth, B. Müller, D. Pham Hong, K. Bóka, Z. Kristóf, F. Fodor: Revisiting the iron pools in cucumber roots: identification and localization, Planta, , 244:167–179, 2016 | | Á. Solti, K. Kovács, B. Müller, S. Vazquez, É. Hamar, D. Pham Hong, B. Tóth, J. Abadía, F. Fodor: Does a voltage-sensitive outer envelope transport mechanism contributes to the chloroplast iron uptake?, Planta, DOI 10.1007/s00425-016-2586-3, 2016 | | Krisztina Kovács, Ferenc fodor, Ádám Solti: : Mössbauer spectroscopic study of the oxidation state of iron in plant roots during the iron uptake process, Abstracts of European Symposium on Atomic Spectrometry, 2016, Eger, Hungary pp. ESAS-2016-OL-32, 2016 | | Krisztina Kovács: Applications of 57Fe Mössbauer spectroscopy in plant physiology, Abstracts of the 34th International Conference on the Application of Mössbauer Effect,2017, St Petersburg, Russia, ICAME-T04-I-11, 2017, 2017 | | Krisztina Kovács, Ferenc Fodor, Ádám Solti: Mössbauer spectroscopic investigation of plant roots supplied with 57Fe(II)-ascorbate complex, Abstracts of the 33rd International Conference on the Application of Mössbauer Effect,2015, Hamburg, Germany, ICAME-T07-2, 2015 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
