Accumulation of selenium in different wheat genotypes and its protective role against various abiotic stress factors

Abstract

Bitkisel kökenli gıdalar, özellikle gelişmekte olan dünyada, insanların günlük kalori ve mineral gereksinmelerini karşılamada belirleyici bir rol oynamaktadır. Tahıllarda bulunan, besin değeri yüksek bileşikler, kanser, kalp ve damar hastalıkları gibi birçok kronik hastalığa karşı koruyucu özellik gösterirler. Selenyum (Se) da son dönemlerde antikanserojen etkisiyle anılan ve sağlık açısından önemi çok büyük olan bir besin elementidir. Tüm dünyada en fazla tüketilen tahıl olma özeliği ile buğday, ayrıca iyi bir Se kaynağı olarak gösterilmektedir. Bu bağlamda özellikle buğdayın selenyumca zenginleştirilmesine yönelik yapılan çalışmalar önem kazanmaktadır. İnsanlar için öneminin yanı sıra, Se'un özellikle stres koşullarında bitki büyümesi üzerine iyileştirici etkisinin olduğu tartışılmaktadır.Bu çalışma kapsamında, i) Se'un, stres koşullarında, bitki büyümesine ve strese dayanıklığa katkısı ii) tohuma Se emdirilmesi yöntemiyle, bitkilerin Se miktarının iyileştirilmesi ve iii) çeşitli modern, yabani ve ilkel buğday genotiplerinin Se biriktirme kapasitesinin araştırılmasına yönelik deney ve denemeler yapılmıştır. Tohuma Se emdirilerek, tanede Se birikimini arttırmaya yönelik yapılan çalışmalarda, tanede yüksek Se konsantrasyonu elde edilmiştir. Bu yöntemle, tane Se konsantrasyonunun 44 µg kg-1 dan, 216 µg kg-1 a yükseldiği görülmüştür. Böylece, bu uygulama tane Se kapasitesini arttırabilecek alternatif bir yöntem olarak nitelendirilmiştir. Bunun dışında, toprağa sodyum selenat uygulanarak kurulan bir sera denemesinde, bazı modern buğday çeşitleri ve Triticum diccocoides genotipleri, topraktan Se alımı ve biriktirme kapasitesi açısından incelenmiştir. Bu denemenin sonuçları, seçilen Triticum dicoccoides genotiplerinin Se alımı ve biriktirmesinde büyük bir ayrıcalık ve farklılık göstermediğine işaret etmektedir. Ayrıca, besin çözeltisi ortamında, bazı modern buğday çeşitleri ve Triticum spelta genotiplerinin Se alımı incelenmiştir. Triticum spelta genotiplerinin Se alım kapasitesinin modern buğdaylara göre üstün olduğu gözlemlenmiş, ve denemede yüksek Se alım kapasitesi gösteren bazı genotipler ön plana çıkmıştır. Bu genotipler, yüksek Se alım kapasitesini modern buğdaylara taşımaya yönelik yapılacak melezleme çalışmaları için önemli bir kaynak oluşturmaktadır.Selenyum insanlar için gerekli bir element olduğu halde bitkiler için mutlak gerekli bir element değildir. Fakat, literatürde yer alan bazı değerlendirmeler, Se'un bitki büyümesinde olumlu etkilerinin olduğuna işaret etmektedir. Bu bilgilerden yola çıkılarak buğday ve mısır bitkileriyle sera ve büyüme çemberi denemeleri kurulmuştur. Bu denemelerde, kuraklık, aşırı sulama, tuz ve soğuk stresi koşullarında Se'un bitki büyümesi ve strese dayanıklılıktaki rolü araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar Se'un stress koşullarında bitki büyümesine etki etmediği yönündedir. Ayrıca mısır bitkisiyle kurulan denemede Se'un askorbat peroksidaz, glutatyon redüktaz, katalaz ve süperoksit dismutaz gibi antioxidatif enzimlerin aktivitesine etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar, Se'un antioxidatif enzim aktivitesine tutarlı bir etkisinin olmadığını göstermektedir. Bu bağlamda yapılan başka bir çalışma da yaprağa Se uygulanmasıyla elde edilen, farklı konsantrasyonlarda Se içeren tohumların total antioksidatif kapasitelerinde bir farklılık oluşmadığına işaret etmiştir.Özetle, bu çalışma, i) tohuma Se uygulanarak tane Se konsantrasyonun zenginleştirilebilirliğine ii) modern buğdaylar ve tetraploid Triticum dicoccoides genotipleri arasında Se alımı açısından dikkat çeken bir çeşitlilik ve genotip olmadığına iii) bunun dışında bir kaç Triticum spelta genotipinin Se alım kapasitesinin yüksek olduğuna ve son olarak iv) Se'un bitki büyümesine ve antioksidatif enzim aktivitesine etki etmediğine işaret etmiştir.

Plant-based foods play a critical role in covering daily requirements of human beings for energy and minerals, especially in the developing world. Most of the nutritional compounds existing in cereal grains are the major protective agents against different chronic diseases. One particular compound with high protective effect against different diseases such as cancer and cardiovascular diseases is selenium (Se). It is widely believed that some forms of selenium (Se) are among the most effective anti-carcinogenic compounds. Studies conducted in different countries revealed that wheat is one of the best Se source for human beings. Wheat is, therefore, an important targeted stable food for enrichment (biofortification) with Se. Selenium is also believed to act protective roles in plants against different abiotic stress factors. However, various controversial results are available in literature regarding the protective roles of Se in plants.In the present study, several experiments have been conducted i) to understand better the protective role of Se in plants under different stress factors, ii) to improve Se status of plants by treating seeds with Se (soaking seeds in a Se-containing solution), and iii) to screen various modern and wild wheat genotypes for their Se accumulation capacity in shoot and seed. In the experiment with seed treatment of Se, the results obtained were promising for improving seed Se concentration. In plants derived from the seeds treated with Se by soaking in a Se-containing solution (up to 5 mM), the seed Se concentration increased from 44 µg kg-1 (non-treated seeds) to 216 µg kg-1 seed (Se-treated seeds). . Seed Se treatment could be a practical approach for enrichment of wheat seeds with Se. Several Triticum dicoccoides genotypes and modern wheat cultivars were investigated for their capacity in Se uptake and accumulation in shoot following application of sodium selenate to soil. The results indicated that the Triticum dicoccoides genotypes tested did not show a promising genetic variation in shoot Se accumulation, and were not superior when compared to the modern wheat genotypes in terms of shoot Se concentration. A nutrient solution experiment was established to follow the Se uptake and accumulation of modern wheat cultivars and Triticum spelta genotypes. In this experiment, some Triticum spelta genotypes were identified showing high Se uptake capacity. Such new genotypes with high Se uptake capacity might be a valuable genetic resource for breeding programs to transfer high Se uptake trait to high-yielding cultivars.Selenium is an essential nutrient for human beings, but not for higher plants. However, in literature, controversial results exist about its beneficial effects on plant growth. By using both wheat and maize plants, greenhouse and growth chamber experiments have been conducted to collect information about the role of Se in improving growth under different stress factors such as drought, salinity, flooding and low temperature. The results obtained indicated that Se has no beneficial effect on plant growth under the stress conditions mentioned. In the experiment with low temperature stress the level of antioxidative defense enzymes (e.g., superoxide dismutase, ascorbate peroxidase and glutathione reductase) were measured in maize plants with and without Se supply. Increasing Se supply did not result in a consistent effect on activity of antioxidative defense enzymes under both normal and low temperature. A similar result was also found in seeds enriched with Se by foliar application of Se. The seeds differing in Se concentrations were not different in their total antioxidative capacity.The result of this thesis indicate that i) treating seeds with Se (soaking seeds in a Se-containing solution up to 5 mM) might be a practical approach to improve shoot and grain Se concentration, ii) modern wheat and tetraploid wild wheat Triticum dicoccoides genotypes tested in the present study were not promising genetic sources for improving shoot Se concentration, iii) Triticum spelta genotypes have been identified showing high Se uptake capacity which might be exploited in breeding programs, and iv) Se has no consistent beneficial effects on plant growth and antioxidative enzyme activity under various abiotic stress factors.