Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)
50 %
Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences)
30 %
Ortelius classification: Plant nutrition
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)
20 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants
Fodor, Ferenc Kovács, Krisztina Nagy, Sándor Páliné Czech, Viktória Solti, Ádám Vértes, Attila
Starting date
2010-05-01
Closing date
2013-10-31
Funding (in million HUF)
34.000
FTE (full time equivalent)
5.80
state
closed project
Summary in Hungarian
A vasklorózis meszes/lúgos talajok esetén általános növekedési probléma, mely számos mediterrán területen lévő ültetvényt befolyásol. Súlyos elemhiány esetén a növények fejlődése és termőképessége erősen csökken, és a növény elpusztul. A vashiány leginkább az őszibarack, körte, kivi és citrusfélék termesztését befolyásolja. A vashiány megszüntetésére jelenleg a leghatásosabb módszer a szintetikus Fe-kelátok alkalmazása, jóllehet ez igen magas költségeket (több, mint 70 millió euró évente, csak Európában) jelent és emellett legtöbb esetben a talajba juttatott vegyületek lassan bomlanak le. Természetes komplexképzők alkalmazása jelenleg kidolgozás alatt áll, mivel ezek olcsóbb alternatívát jelentenek, és hamarabb lebomlanak. Ezek az anyagok egyben más mikroelemek hiányának megszüntetésében is hatékonyak lehetnek. A különféle komplexek lehetőséget adnak, hogy a növények mikroelem szükségleteit biztosítsuk, de ezek hatásmechanizmusa és hatékonyságukat meghatározó tényezők máig nem ismertek, és az erre vonatkozó, eddig közölt eredmények igen eltérőek. A 57Fe Mössbauer-spektroszkópia alkalmas eszköz a Fe-kelátok speciációjának, szerkezetének vizsgálatára, ezáltal segíthet az egyes Fe-kelátok és -komplexek növényélettani hatásainak felderítésében. Jelen projekt céljai tehát a következők: i) természetes Fe-komplexek szerkezetének és speciációjának tanulmányozása különböző kísérleti körülmények között; ii) Fe-kelátok és Fe-komplexek talajjal történő kölcsönhatásának vizsgálata; iii) az I. vasfelvételi stratégiát követő növényekben található Fe-vegyületek és a vas-kelát reduktáz enzim szubsztrátjaként szolgáló Fe-vegyületek vizsgálata.
Summary
Fe chlorosis in plants is a common nutritional disorder occurring in calcareous and/or alkaline soils, that affects to many crops in the Mediterranean basin. Under severe deficiency conditions size and productivity of plants is seriously reduced, and plant death can occur. High added value crops can be affected by Fe deficiency, the most significant being fruit trees like peach, pear, kiwifruit and Citrus. Currently synthetic chelates are the most effective way to solve Fe chlorosis, though they are expensive (only in Europe, more than 70 millions € are spent yearly in Fe chelates) and in most of cases degrade very slowly. As an alternative natural complexes, cheaper and more degradable than synthetic chelates, are under consideration. Complexes are less specific and cheaper than chelates, so they can be used to solve other micronutrient deficiencies, and are suitable to be applied on low add value crops that currently can not be treated with chelates. Complexes have a potential ability to provide Fe and other micronutrients to plants, but at the present stage of knowledge the aspects that determine their effectiveness (Fe speciation, complexing sites, pH, molecular size, etc.) remain unclear and very variable results are obtained. 57Fe Mössbauer spectroscopy is a powerful tool to elucidate Fe speciation and Fe environment, and it can be very useful to understand Fe complexes behaviour. Thus, the main aims of this project are: i) to study Fe environment and speciation in natural complexes under different experimental conditions; ii) to elucidate Fe chelates and complexes behaviour (sorption, Fe splitting and desorption processes) after interaction with soils and soil materials; iii) to evaluate the species formed during Fe uptake by efficient and sensitive Strategy I plants, and determine if Fe complexes can be used as substrate for Fe3+ reduction by the root plasma ferric membrane reductase enzyme.
Final report
Results in Hungarian
A pályázat keretében a spanyol Universidad Autónoma de Madrid egyetemmel együttműködésben vizsgáltuk azokat a szempontokat, melyek meghatározzák a természetes eredetű vaskomplexek vasellátásban mutatott hatékonyságát. A munka során analitikai (Mössbauer-spektroszkópia, FTIR, HPLC, ICP-MS, AAS, XRD) és biológiai (vas-kelát reduktáz aktivitás, klorofill fluoreszcencia, fluoreszcencia leképezés, PAGE) módszereket alkalmaztunk.
6 lignoszulfonát, Na-glukonát és leonardit esetén, különböző előállítási körülmények (pH, Fe:ligandum arány) mellett vizsgáltuk a vaskomplexek szerkezetét és a vas speciációját. Vizsgáltuk továbbá a felsorolt vaskomplexek stabilitását meszes talajon. A természetes vaskomplexekre kapott eredményeket összehasonlítottuk az egyik legstabilabb szintetikus vaskelát, a Fe3+-o,o-EDDHA esetében kapott eredményekkel. A felsorolt vaskomplexek és 4 vaskelát esetében két tesztnövény (uborka, szója) segítségével mértük a vas-kelát reduktáz aktivitást és a vasfelvételt. A vaskomplexek hatékonyságát vizsgáltuk vízkultúrán nevelt növényeken, mind a tápoldaton keresztül, mind a leveleken keresztül történő vasellátás esetén. A tanulmányozott vaskomplexek hatékonynak bizonyultak a kloroplasztiszok vastartalmának, illetve a fotoszintetikus rendszer működésének helyreállításában.
Az eredményeket referált tudományos folyóiratokban és nemzetközi konferenciákon közöltük és közöljük. A tudományos kooperáció igen sikeres volt a hazai kutatók külföldi tapasztalatszerzése terén is.
Results in English
In the framework of the project, the aspects that determine the effectiveness of natural complexes having potential ability to provide Fe to plants, were studied with analytical (Mössbauer spectroscopy, FTIR, HPLC, ICP-MS, AAS, XRD) and biological (FCR activity tests, chlorophyll fluorescence, fluorescence imaging, PAGE) methods in cooperation with the Universidad Autónoma de Madrid, Madrid, Spain.
We have investigated the Fe speciation in Fe complexes prepared with 6 different lignosulfonates, Na-gluconate and leonardite at different pH and Fe:ligand ratios. The stability of the Fe complexes under calcareous soil conditions and the interaction with 4 soil materials were studied. The results were compared with those obtained for one of the most stable synthetic Fe chelate, Fe3+-o,o-EDDHA. Ferric reductase activity with these Fe complexes and with four synthetic Fe chelates was measured together with Fe uptake using two model plants: cucumber (efficient plant) and soybean (inefficient plant). The ability of Fe complexes to overcome iron chlorosis was tested in both plants when the complexes were applied in nutrient solution and through foliar sprays. The Fe complexes were found to be effective in restoring chloroplast iron content and the photosynthetic apparatus.
The results have been and being published at international conferences and in SCI journals. The scientific cooperation has been very successful regarding the experience with the others’ methodologies, too.
Solti Á, Müller B, Czech V, Sárvári É, Fodor F: Functional characterization of the chloroplast ferric chelate oxidoreductase enzyme., New Phytologist 202(3): 920-928., 2014
Kovács K; Czech V; Fodor F; Lucena JJ; Santos-Rosell S; Hernandez-Apaolaza, L: Characterization of Fe-leonardite complexes, as novel natural iron fertilizers, Journal of Agricultural and Food Chemistry, DOI: 10.1021/jf404455y, 2013
Carrasco J; Kovács K; Czech V; Fodor F; Lucena JJ; Vértes A; Hernández-Apaolaza L: Influence of pH, iron source and Fe/ligand ratio on the iron speciation in lignosulfonate complexes by using Mössbauer spectroscopy, Journal of Agricultural and Food Chemistry 60: 3331-3340, 2012
Solti Á; Gáspár L; Vági P; Záray G; Fodor F; Sárvári É: Cd, Fe and light sensitivity: interrelationships in Cd treated Populus, OMICS: Journal of Integrative Biology Special Issue 15: 811-818, 2011
Solti Á; Kovács K; Basa B; Vértes A; Sárvári É; Fodor F: Uptake and incorporation of iron in sugar beet chloroplasts, Plant Physiology and Biochemistry 52: 91-97, 2012
Fodor F; Kovács K; Czech V; Solti Á; Tóth B; Lévai L; Bóka K; Vértes A: Effects of short term iron citrate treatments at different pH values on roots of iron deficient cucumber: a Mössbauer analysis., Journal of Plant Physiology, 169: 1615-1622, 2012
Kamnev AA; Dykman RL; Kovacs K; Pankratov AN; Tugarova AV; Homonnay Z; Kuzmann E: Redox interactions between structurally different alkylresorcinols and iron(III) in aqueous media: frozen-solution 57Fe Mössbauer spectroscopic studies, redox kinetics and quantum chemical evaluation of the alkylresorcinol reactivities, Structural Chemistry, DOI:10.1007/s11224-013-0367-1, 2013
Fodor F, Kovács K, Solti S, Toth B, Lévai L, Sárvári É, Hernández-Apaolaza L, Lucena JJ, Vértes A†: Iron microenvironments in complexes, roots, leaves, chloroplasts – new aspects revealed by Mössbauer spectroscopy, 16th International Symposium on Iron Nutrition and Interactions in Plants, Amherst, MA, USA, 2012
Kovács K, Carrasco J, Czech V, Hernández-Apaolaza L, Lucena JJ, Fodor F, Vértes A†: Mössbauer study of iron speciation in natural Fe(II) and Fe(III) complexes used as iron fertilizers, 16th International Symposium on Iron Nutrition and Interactions in Plants, Amherst, MA, USA, 2012
Kamnev AA; Tugarova AV; Biró B; Kovács K; Homonnay Z; Kuzmann E; Vértes A: Cobalt(II) interaction with cells of the soil bacterium Azospirillum brasilense Sp7: A 57Co emission Mössbauer spectroscopic study, Hyperfine Interactions 206:91-94, 2012
Kamnev AA; Tugarova AV; Biró B; Kovács K; Homonnay Z; Kuzmann E; Vértes A: Aspartic acid interaction with cobalt(II) in dilute aqueous solution: A 57Co emission Mössbauer spectroscopic study, Hyperfine Interactions 206:101-104, 2012
Solti Á; Gáspár L; Vági P; Záray G; Gémes-Juhász A; Sárvári É: Physiological traits of poplar relevant to cadmium phytoextraction, Summaries. XVII. National Meeting on Plant Breeding, Budapest, p. 119, 2011
Fodor F; Cseh E; Solti Á; Czech V; Kovács K: Vaskelátok és vaskomplexek a vashiány orvoslásában: régi probléma, új ismeretek, Hat évtized az agrár felsőoktatásért. Eds: Jávor A., Fürjné Rádi K., Veres Sz., Debreceni Egyetem Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma, 49-55, 2013
Solti Á: Cd-Fe interference in iron homeostasis and in photosynthesis, http://teo.elte.hu/minosites/ertekezes2012/solti_a.pdf, 2012
Hajnal D: Efficiency of natural ferric complexes in recovering plant iron deficiency, TDK Dolgozat, Eötvös Lorand Tudomanyegyetem, Növényélettani és Molekuláris Növénybiológiai Tanszék, 2013
Events of the project
2012-10-12 09:57:59
Résztvevők változása
2012-01-19 17:04:42
Vezető kutató váltás
Régi vezető kutató: Vértes Attila
Új vezető kutató: Kovács Krisztina
A vezető kutató váltás indoka: a témavezető elhunyt
