Kaj pokaže obstreljevanje listne rezine s protoni

Za optimalen razvoj in delovanje rastline potrebujejo 17, človek pa 25 mineralnih elementov. Prve jih pridobivajo iz tal, ljudje pa z uživanjem raznovrstne hrane, predvsem rastlinske. Vendar mineralni elementi v rastlinskih tkivih niso razporejeni enakomerno. Kako sodobne tehnike in novo znanje omogočajo natančnejši vpogled v hranilno vrednost rastlinskih tkiv in dostopnost mineralnih elementov v prehrani, raziskuje dr. Paula Pongrac, slovenska znanstvenica s škotskega inštituta Jamesa Huttona v Dundeeju.

Sogovornica je doktorirala na oddelku za biologijo na ljubljanski biotehniški fakulteti. Že med pripravljanjem diplome in doktorata je raziskovala težke kovine. Zanimala jo je vsebnost težkih kovin, zlasti kadmija in svinca, v rastlinah, pri tem pa predvsem vprašanje, kako preprečiti oziroma zmanjšati vsebnost teh elementov v živilih, ki so poglavitni del naše prehrane.

Kot pojasnjuje, je bilo v povezavi s tem pomembno delo skupine na katedri za fiziologijo rastlin, ki je pod vodstvom prof. Marjane Regvar proučevala težke kovine v Mežici in Žerjavu oziroma vsebnost težkih kovin v rastlinah na omenjenem in drugih onesnaženih območjih.

»Posebej smo proučevali rastlino rani mošnjak (Thlaspi praecox), ki raste v naravnem okolju in je sposobna v svojih listih kopičiti tudi 5000 miligramov kadmija na kilogram. Vemo, da velika večina rastlin ne more preživeti tolikšne 'stresne koncentracije' kadmija in drugih strupenih snovi, rani mošnjak pa jo, in to je pritegnilo našo pozornost. Logično se je pojavilo vprašanje, ali bi bila morda prav ta rastlina s svojo izjemno sposobnostjo vsrkavanja strupenih snovi, kot sta kadmij in svinec, lahko uporabna za načrtovano postopno čiščenje okolja. Toda nas je najprej zanimalo, kako lahko ta rastlina preživi tolikšno koncentracijo strupa in se normalno razvija.«

»Atomsko« obstreljevanje rastlin

V tistem obdobju so se prvič srečali s sodelavci skupine prof. Primoža Pelicona na inštitutu Jožefa Stefana, ki ima v mikroanalitskem centru na voljo zelo zmogljiv mikroskop za spremljanje reakcij protonov in atomov med obstreljevanjem rastlinskih tkiv. »Omenjena oprema omogoča natančen vpogled v to, koliko katerih elementov je prisotnih in kako so razporejeni na primer v listu oziroma drugih delih rastline. Analiza slik, ki nastanejo po opisanem 'obstreljevanju' prečno prerezanega lista rastline, pokaže dogajanje na površini, v različnih plasteh oziroma posameznih delih notranjega tkiva. To pa je že prvi korak k boljšemu razumevanju tega, kako je ta rastlina sposobna nakopičiti tolikšno koncentracijo strupov, v omenjenem primeru kadmija in – preživeti.«

Železo, selen, jod, kalcij, magnezij ...

Od 25 mineralnih elementov, pomembnih za človekovo uravnoteženo prehrano, jih po besedah sogovornice pogosto primanjkuje sedem, to so železo, selen, jod, cink, kalcij, magnezij in baker. Če se omejimo na vprašanje, kako z živili rastlinskega izvora zagotoviti ustrezno količino mineralnih elementov v vsakdanji prehrani, je treba vedeti ne le to, koliko katerih elementov vsebujejo posamezne rastline, temveč tudi, koliko jih je – ali jih ni – v posameznih delih (užitnih) rastlinskih tkiv.

Za železo se ve, da ga je v rastlinah na splošno malo, hkrati pa je slabo dostopno, saj v zrnatem delu rastlin njegov večji izkoristek omejuje delovanje fitata oziroma fitinske kisline. Precejšnja težava je tudi premajhna vsebnost selena, ker ga je v evropskih tleh na splošno malo.

Ponekod so težave zaradi pomanjkanja joda, ker dodajanje tega elementa – praviloma z dobro znanim jodiranjem soli – ni povsod zakonsko določeno in obvezno. V Evropi je razmeroma dobra vsebnost cinka v prehrani. Bistveno slabše pa so razmere glede tega v državah v razvoju, kjer so skromnejše možnosti za različne ukrepe, s katerimi bi zboljšali vsebnost tega in še nekaterih drugih elementov v obdelovalnih površinah, rastlinah in človekovi prehrani.

Prečni prerez lista slanoljubne puščavske rastline (Bassia indica). Slika prikazuje kopičenje natrija, kalija in klora, ki so pogosti gradniki naravne soli, v različnih delih lista. Barvna skala kaže koncentracijo posameznega elementa. Na sliki desno vidimo razporeditev treh elementov hkrati: natrij je v rdeči barvi, klor v modri in kalij v zeleni. V primeru kopičenja na istem mestu pride do mešanja barv, kot je prikazano na barvnem trikotniku. Foto: arhiv Paule Pongrac

Pšenično in ajdovo zrno pod mikroskopom

Naštete elemente – razen selena in joda – so podrobno raziskovali v pšeničnem in ajdovem zrnju. Kot pojasnjuje sogovornica, se razporeditev posameznih elementov v različnih plasteh, od zunanje lupine, notranjih plasti, poglavitne vsebine zrna, to je endosperma, iz katerega se pridobiva moka, do kalčkov, občutno razlikuje glede na to, v katero vrsto spada rastlina: med trave, kot so različna žita in se uvrščajo med enokaličnice, ali dvokaličnice, kjer je na primer ajda. Slednja tako kot druge dvokaličnice, v primerjavi z enokaličnicami, vsebuje več kalcija in magnezija ter še nekaterih drugih snovi.

Na tem zanimivem raziskovalnem polju se tako strokovnjaki različnih strok veliko ukvarjajo z razvijanjem sodobnih metod, tehnologij in pristopov, da bi bolje razumeli zapletene procese znotraj drobnih rastlinskih tkivnih struktur. Nujno je dobro poznavanje mineralne prehrane rastlin in razumevanje tega, zakaj in kako nekateri elementi (ne) prehajajo skozi posamezne plasti, na primer v notranjost endosperma. To lahko odpira naslednje korake za izboljšanje hranilne vrednosti rastlinskih tkiv in razvijanje različnih ukrepov za širšo dostopnost mineralnih elementov v človekovi prehrani.

Dodatna »moč« hrane

Dr. Pongračeva pojasnjuje, da se sicer ne ukvarja z molekulskim žlahntnjenjem rastlin, ji je pa »zelo blizu« biofortifikacija, znanstveno področje, ki raziskuje načine za »izboljšanje mineralne sestave« izvornega rastlinskega materiala.

V sodobnem času pa postaja zaradi različnih razlogov vse bolj aktualno vprašanje, kako z boljšimi agronomskimi pristopi omogočiti rastlinam vsrkanje več za človekovo prehrano koristnih mineralnih elementov. Gre za tako imenovano »biookrepljeno« hrano, ki bi imela ustrezne količine in sestavo mineralnih elementov v vseh svojih užitnih delih, zrnu, plodovih, listih, koreninah.

V povezavi s tem je zanimivo raziskovanje genov, ki povečujejo transport železa iz tal in po rastlini v notranjost zrna, da bi tako izboljšali vsebnost tega elementa v endospermu in moki. Pri pšeničnem zrnu namreč nekateri pomembni elementi, ki so sicer v rastlini in tudi lupini, ne prehajajo v zadovoljivi količini v njegovo notranjost. Podobno razmišljajo o možnostih, kako bi lahko že z navadnim žlahtnjenjem povečali vsebnost cinka v listnati zelenjavi, kjer je prehajanje mineralnih elementov iz zemlje v steblo in liste razmeroma enostavno. V nasprotju s tem pa je pri potovanju mineralnih elementov po rastlinskem žilju do zrnja in do gomoljev bolj zapleteno.

Prečni prerez pšeničnega zrna, v katerem so vidni kalček (spodaj), bel založni škrobni del (v sredini) in semenska ovojnica (na obrobju). Pri pšenici se magnezij, fosfor in železo kopičijo v kalčku in v plasti celic pod semensko ovojnico, kalcij pa v semenski ovojnici. Založni škrobni del vsebuje le malo elementov. Barvna skala kaže koncentracijo posameznega elementa. Slika desno spodaj prikazuje razporeditev treh elementov hkrati: fosfor je v rdeči barvi, magnezij v modri in kalcij v zeleni. V primeru kopičenja na istem mestu pride do mešanja barv, kot je prikazano na barvnem trikotniku. Foto: arhiv Paule Pongrac

Kapusnice pod povečevalnim steklom

Sogovornica v povezavi z omenjenim področjem proučuje različne genotipe brokolija, cvetače, zelja in ohrovta. V laboratoriju na inštitutu Jamesa Huttona v Dundeeju imajo bogato semensko banko in opravljajo številne poskuse z različnimi rastlinskimi genotipi. Tako so v vzorčnih nasadih ugotovili, da različni kultivarji te vrste vsebujejo zelo različne koncentracije cinka. 

Da bi dognali, kaj vpliva na tako različno vsebnost tega elementa v rastlinah, je Pongračeva zbrala za raziskavo ekstremne vzorce rastlin in zdaj proučuje, katere lastnosti korenin omogočajo privzemanje večje količine cinka in kaj je tisto, kar ovira oziroma zmanjšuje ta proces. Dobro poznavanje rastlinske fiziologije širi možnosti za različne oblike žlahtnjenja ter doseganje optimalne količine in ustreznega razmerja različnih mineralnih elementov.

Ječmen, kalčki, radenska, donat ...

Dr. Paula Pongrac je pred odhodom na Škotsko s podporo Humboldtove štipendije za podoktorske raziskovalce dobro leto pridobivala izkušnje v Nemčiji, kjer so proučevali razporejenost različnih mineralnih elementov v ječmenu. Obstaja na stotine različnih genotipov ječmena. Ko je bila tam, so jih vzeli pod drobnogled 160, da bi ugotovili, kaj vpliva na različne koncentracije cinka v rastlinah in plodovih. Del raziskav so v sodelovanju s fiziki opravili tudi na inštitutu Jožefa Stefana.

Še pred tem je sogovornica, prav tako v okviru podoktorskega študija, proučevala hranilno vrednost ajdovih in pšeničnih kalčkov, ki so lahko dobrodošla popestritev vsakodnevne prehrane, predvsem pozimi, ko je na voljo manj svežega sadja in zelenjave. Projekt je vodila v sodelovanju z mednarodno priznanim strokovnjakom prof. Ivanom Kreftom.

Med drugim so poskušali obogatiti hranilno vrednost kalčkov tatarske ajde z magnezijem. V seriji poskusov so semena gojili na hranilni podlagi z mineralno vodo, radensko in donatom, in ugotovili, da radenska tatarski ajdi in njenim kalčkom prija, medtem ko je bila količina magnezija v donatu zanje »premočna«.

Magnezij je element, ki je zelo dostopen v vodi, ajda pa prav tako – v semenih in kalčkih – vsebuje različne pomembne antioksidante. Zraven ima še flavonoid rutin, tudi z antioksidativnimi lastnostmi. Zato so te njene sestavine zelo dobrodošle v vsakdanji prehrani.