Biofortyfikacja upraw cynkiem dla większego bezpieczeństwa żywnościowego
Bezpieczeństwo żywnościowe polega na zapewnianiu ludności niezawodnych dostaw żywności o odpowiedniej jakości (zawierającej niezbędne witaminy i minerały). Według szacunków WHO dwa miliardy ludzi cierpi z powodu tzw. „ukrytego głodu” – niedożywienia często spowodowanego dietą opartą głównie na produktach roślinnych, w której brakuje niezbędnych składników odżywczych, zwłaszcza witaminy A, żelaza i cynku. Oczekuje się, że problem ten jeszcze się pogłębi ze względu na zmianę klimatu, a dokładniej z powodu suszy coraz częściej zagrażającej zwierzętom gospodarskim i uprawom. Jednocześnie, jeśli mieszkańcy krajów rozwiniętych mają przestawić się na bardziej zrównoważony tryb życia, będą musieli stosować dietę opartą głównie na produktach roślinnych. Ale związane z tym korzyści zdrowotne muszą przewyższać ryzyko związane z niedoborem podstawowych mikroelementów. Zespół projektu PMTFOS przeanalizował metalotioneiny – grupę białek, które wiążą i magazynują metale w roślinach zbożowych. Metalotioneiny typu 4 występują w nasionach wszystkich roślin kwitnących i liściach zmartwychwstanek. Białka te wiążą cynk, który jest niezbędny do syntezy co najmniej 10 % wszystkich ludzkich białek i ma wpływ na wszystkie podstawowe procesy życiowe. Z kolei u roślin cynk zwiększa ich odporność na suszę, a zmartwychwstankom pozwala odżyć po kompletnym wysuszeniu. Zatem metalotioneiny mogą zwiększyć wartość odżywczą zbóż i jednocześnie pomóc im przetrwać suszę.
Analiza biofizyczna białek oraz eksperymenty z roślinami
Metalotioneiny to wyjątkowe białka, które posiadają dużą zdolność do wiązania jonów metali, np. cynku. Zespół projektu PMTFOS zbadał metalotioneiny w sorgo, charakteryzując ich właściwości wiążące metale i funkcje fizjologiczne, zarówno na poziomie poszczególnych białek, jak i całych roślin. Doprowadziło to do nawiązania współpracy z genetykiem roślin, José Gutierrezem-Marcosem, profesorem nadzwyczajnym Instytutu Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Warwick. Dzięki temu po raz pierwszy wykorzystano metodę CRISPR/Cas9 do edycji genów metalotionein rzodkiewnika pospolitego w celu zbadania ich funkcji w roślinach. Zespół badawczy, kierowany przez profesor nadzwyczajną Claudię Blindauer, wyprodukował czyste białka metalotionein sorgo w procesie rekombinacyjnej ekspresji w systemach bakteryjnych w obecności cynku, miedzi lub kadmu, uzyskując białka o dużej zawartości metali. Po przeprowadzeniu analizy przy użyciu technik spektroskopowych i spektrometrycznych badacze odkryli, że metalotioneiny różnego typu mają inne preferencje w zakresie wiązania metali, co pozwoliło im wywnioskować, że tylko specyficzne dla nasion metalotioneiny typu 4 preferują cynk zamiast innych metali, w tym toksycznego kadmu. „To pozwala nam założyć, że metalotioneiny typu 4 mają potencjał do biofortyfikacji upraw cynkiem”, mówi Agnieszka Mierek-Adamska, stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Odkryliśmy jednak, że duże podobieństwo pomiędzy metalotioneinami typu 4 różnych gatunków roślin nie gwarantuje takich samych właściwości wiążących metale. Zatem magazynowanie metali u innych roślin to temat na kolejne badania”.
Bezpieczna, zdrowa i przystępna cenowo żywność wysokiej jakości
Zespół projektu PMTFOS skupił się na sorgo jako zbożu o niezwykłej odporności na suszę i wysokie temperatury. Sorgo jest jedną z najważniejszych roślin uprawnych dla 500 milionów ludzi w Afryce, Ameryce i na subkontynencie indyjskim, ale ma potencjał, by stać się podstawą diety także dla mieszkańców Europy w ramach adaptacji do zmiany klimatu. Może też być bogatym źródłem nutraceutyków do walki z otyłością i chorobami sercowo-naczyniowymi – pod warunkiem dobrej biodostępności cynku. Zespół poszerza zakres swoich badań, żeby ustalić, czy metalotioneiny roślinne biorą udział w odpowiedzi na wszystkie czy tylko na określone rodzaje stresów. Wyniki tych badań mogą być bardzo przydatne dla stworzenia nowych, odpornych na stres odmian roślin uprawnych. „Analiza molekularnego podłoża odporności sorgo na suszę będzie miała kluczowe znaczenie dla innych ważnych upraw, takich jak pszenica, jęczmień, kukurydza czy ryż. Stosunkowo mały genom sorgo (3,4 razy mniejszy od blisko spokrewnionej z nim kukurydzy) sprawia, że jest to doskonała roślina modelowa do badań”, dodaje Mierek-Adamska.
Słowa kluczowe
PMTFOS, bezpieczeństwo żywnościowe, cynk, uprawa, sorgo, roślina, odżywianie, zmiana klimatu, metalotioneiny, odporność na wysokie temperatury, susza