MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2015
LUCIE VÁGNEROVÁ
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav agrochemie, půdoznalství, mikrobiologie a výţivy rostlin
Biofortifikace slunečnice roční (Helianthus annuus L.) selenem Diplomová práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Petr Škarpa Ph.D.
Vypracovala: Bc. Lucie Vágnerová Brno 2015
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci: Biofortifikace slunečnice roční (Helianthus annuus L.) selenem vypracovala samostatně a veškeré pouţité prameny a informace uvádím v seznamu pouţité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědoma, ţe se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a ţe Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a uţití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, ţe před sepsáním licenční smlouvy o vyuţití díla jinou osobou (subjektem) si vyţádám písemné stanovisko univerzity, ţe předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to aţ do jejich skutečné výše. V Brně dne:…………………………..
…………………………….. Podpis
PODĚKOVÁNÍ Ráda bych touto cestou poděkovala vedoucímu této diplomové práce doc. Ing. Petru Škarpovi, Ph.D., za pomoc a odborné vedení při zpracovávání diplomové práce, dále děkuji za cenné rady, připomínky a zvláště za trpělivost při konzultacích a opravách. Dále děkuji celé své rodině a příteli za nemalou morální podporu a pomoc v průběhu studia a zejména v období, kdy vznikala tato práce.
ABSTRAKT V rámci předloţené diplomové práce byla v jednoletém maloparcelkovém pokusu realizovaném v roce 2013 sledována reakce slunečnice roční (Helianthus annuus L.), hybridu NK Brio, na foliární přihnojení selenem aplikovaným ve formě seleničitanu sodného (Na2SeO3) ve vývojové fázi formace terminálního pupenu do podoby miniaturního květenství (R1) v dávkách 50, 100, 150, 200 g Se.ha-1. Foliární aplikace selenu v dávkách 50 – 150 g.ha-1 působily stimulačně na nárůst hmotnosti rostlinné biomasy a odběr ţivin (zejména N, Mg a Se). Dávka 200 g Se.ha -1 růst rostlin inhibovala. Výnos naţek slunečnice nebyl mimokořenovou aplikací Se statisticky průkazně ovlivněn (p≤0,05). Nejvýraznější vliv měla foliární aplikace selenu na jeho obsah v naţkách slunečnice. Mnoţství Se se zde navyšovalo signifikantně (p≤0,05) v lineární závislosti (r = 0,9824) na jeho stupňovaných dávkách. Klíčová slova: slunečnice roční, selen, seleničitan, biofortifikace, mimokořenová aplikace, výnos naţek, obsah selenu v naţkách.
ABSTRACT The diploma thesis is focused on a small-plot year-long experiment, carried out in 2013. The experiment monitored reaction of sunflower's (Helianthus annuus L.) hybrid NK Brio to foliar fertilizing with selenium, applied in the form of sodium selenite (Na2SeO3) during growth stage R1, at rates 50, 100, 150 and 200 g Se.ha-1. Foliar application of selenium at rates 50 - 150 g.ha-1 caused stimulation of weight of a plant biomass and nutrient uptake (esp. N, Mg and Se). Rate of 200 g Se.ha-1 inhibited plants' growth. Sunflower achenes yields were not statistically significantly influenced by foliar application of Se (p≤0,05). The most significant effect of foliar application of Se was its content in sunflower achenes; the amount of Se increased significantly (p≤0,05) in a linear relationship (r = 0.9824) to the graded rates. Keywords: sunflower, selenium, selenite, biofortification, foliar application, achenes yield, selenium content in achenes.
OBSAH 1 ÚVOD .......................................................................................................................... 10 2 LITERÁRNÍ PŘEHLED ............................................................................................. 11 2.1 Slunečnice roční .................................................................................................... 11 2.1.2 Vývojové fáze slunečnice ............................................................................... 12 2.1.3 Pěstování slunečnice, nároky na prostředí ...................................................... 14 2.1.4 Výţiva a hnojení slunečnice ........................................................................... 17 2.2 Biofortifikace ........................................................................................................ 23 2.2.1 Minerální podvýţiva ....................................................................................... 23 2.2.2 HarvestPlus ..................................................................................................... 24 2.2.3 Vysvětlení pojmu biofortifikace ..................................................................... 24 2.2.4 Způsoby biofortifikace ................................................................................... 25 2.3 Selen ...................................................................................................................... 37 2.3.1 Selen v půdě ................................................................................................... 37 2.3.1 Selen v rostlině ............................................................................................... 40 2.3.2 Význam selenu pro člověka............................................................................ 45 2.3.3 Selen v potravinách ........................................................................................ 50 3 CÍL PRÁCE ................................................................................................................. 53 4 MATERIÁL A METODIKA POKUSU...................................................................... 54 4.1 Metodika pokusu ................................................................................................... 54 4.1.1 Charakteristika hybridu NK Brio ................................................................... 54 4.1.2 Agrotechnika a vedení pokusu ....................................................................... 55 4.2 Povětrnostní podmínky stanoviště v roce 2013 .................................................... 57 4.3 Analytické metody ................................................................................................ 58 4.3.1 Rozbory půdy ................................................................................................. 58 4.3.2 Rozbory rostlin ............................................................................................... 58 4.4 Statistické hodnocení dat....................................................................................... 59 5 VÝSLEDKY A DISKUZE .......................................................................................... 60 5.1 Anorganické rozbory rostlin (ARR)...................................................................... 60 5.2 Výnosové výsledky pokusu................................................................................... 63 5.3 Kvalitativní parametry .......................................................................................... 65 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 67
7 POUŢITÉ ZDROJE ..................................................................................................... 68 8 SEZNAM GRAFŮ ...................................................................................................... 78 9 SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................. 78 10 SEZNAM TABULEK ............................................................................................... 78
1 ÚVOD Organizace FAO (Organizace pro výţivu a zemědělství) odhaduje, ţe v roce 2050 dosáhne lidská populace 9,1 miliard, kdy k největšímu nárůstu dojde v rozvojových zemích. V souvislosti s tímto nárůstem populace bude nutné navýšit nejen produkci potravin (cca o 70 %), ale i jejich celkovou výţivnou hodnotu, zejména obsah esenciálních látek, jako jsou minerály, vitamíny atd, kterých mají populace v rozvojových zemích nedostatek a způsobují závaţná onemocnění a poškození organismu. Z tohoto důvodu je nutné rozvíjet nové směry výzkumu, které by nám zajistily vhodné strategie pro produkci dostatečného mnoţství základních potravin s adekvátní výţivnou hodnotou, které by byli dostupné pro kaţdého, bez rozdílu ekonomického postavení čí geografie. Touto strategií je právě biofortifikace. Jedním z prvků, který je deficitní v potravě velkého podílu lidské populace, je selen. Tento prvek má nezastupitelný význam jak v lidském, tak celkově ţivočišném organismu. Mezi jeho hlavní funkce patří antioxidační vliv na lidský organismus, posílení imunitního systému, eliminace kardiovaskulárních onemocnění či vybraných druhů rakoviny, aj. Slunenčice roční (Helianthus annuus L.) je široce rozšířenou plodinou původem ze Střední Ameriky, která se pěstuje v rámci celé zeměkoule na rozdílných kontinechtech, coţ je dáno jejími příznivými biologickými vlatnostmi a schopností adaptace. Toto ji předurčuje jako vhodného kandidáta pro výzkum a rozvoj biofortifikačních strategií, mezi které se s úspěchem řadí i agronomická biofortifikace. Celosvětově se plochou pěstování řadí na 4. místo skupiny 5 nejvíce pěstovaných olejnin (dle FAOSTAT 2013: sója 111,5 mil. ha; řepka 36,5 mil. ha, bavlník 32,2 mil. ha; slunečnice 25,5 mil. ha; podzemnice olejná 25,4 mil. ha). V České republice zaujímá velice významné postavení, a to hned za řepkou, jako druhá nejvíce pěstovaná olejnina. Předloţená práce by měla přispět k poznání vlivu foliární aplikace selenu u slunečnice roční a posouzení její vhodnosti k agronomické biofortifikaci.
10
2 LITERÁRNÍ PŘEHLED 2.1 Slunečnice roční Slunečnici roční lze dle systematické botaniky řadit do říše rostliny – Plantae, podříše rostliny cévnaté – Tracheobionta, oddělení rostliny krytosemenné – Magnoliophyta, třídy vyšší dvouděloţné – Rosopsida, řádu hvězdnicotvaré – Asterales, čeledi hvězdicovité – Asteraceae, rodu slunečnice – Helianthus, sekce Anuin (Kováčik, 2000; Slavík, Štěpánková, 2004; Málek et al., 2010; Málek et al., 2013). V celosvětovém měřítku je v rodu slunečnice zařazeno téměř 260 jednoletých i víceletých druhů. Dominantní postavení má slunečnice roční (Helianthus annuus L.) mezi zástupci jednoletých a topinambur hlíznatý (Helianthus tuberosus L.) mezi víceletými (Málek et al., 2005). Dle Moudrého (2003) je předkem kulturního druhu pravděpodobně planě rostoucí slunečnice roční, u které došlo k mezidruhové hybridizaci se slunečnicí řapíkatou (Helianthus petiolaris NUTT). Kulturní poddruh Helianthus annuus L. ssp. macrocarpus je dle vyuţití členěn do tří základních forem, které se dále dělí na typy (Kováčik, 2005; Kolovrat et al., 2008; McMahon et al., 2011). 1. Forma semenná -
Typ olejný – mající naţky středních velikostí s tenčí slupkou, niţší obsah zásobních látek, především bílkovin (20–30 %), s obsahem sacharidů mezi 6–11 %. Olejnatost tohoto typu je obecně uváděna v rozmezí 42– 53 %, avšak dle Kováčika (2000) můţe dosahovat aţ 70 %.
-
Typ cukrářský – charakterizovaný naţkami větší velikosti se silnější slupkou a vyšším obsahem zásobních látek. Bílkoviny jsou v semeni obsaţeny aţ z 38% a sacharidy zaujímají 11%. Olejnatost se pohybuje na hodnotách 32–38%.
2. Forma okrasná -
Typ plnokvětý
-
Typ ornamentální
3. Forma siláţní 11
Olejný typ lze dále rozdělit dle skladby mastných kyselin v oleji do 3 podtypů (Kováčik, 2000; Kolovrat et al., 2008; Zukalová et al., 2009; Cerkal et al., 2011): -
Typ linolový – zde je převládající mastnou kyselinou kyselina linolová (57–70 % kyseliny linolové, 18–35 % kyseliny olejové) V průběhu vývojových fází se jednotlivé mastné kyseliny syntetizují postupně od kyseliny palmitové na stearovou, následně olejovou a linolovou.
-
Středně olejný typ NuSun – (15–35 % kyseliny linolové, 55–75 % kyseliny olejové).
-
Typ se zvýšeným obsahem kyseliny olejové – vysokoolejný (5 % kyseliny linolové a aţ 82 % kyseliny olejové). Zde jsou mastné kyseliny syntetizovány postupně z palmitové na olejovou. Následná syntéza je geneticky blokována.
Slunečnice roční má ve světě mnohostranné vyuţití mimo zemědělství a potravinářství. Dle Černého et al. (2010) se v některých zemích její stonky uţívají jako topivo a pro stavbu provizorních plotů, v Číně jsou stonková vlákna vyuţívána jako přísada do textilií nebo se vyuţívají k výrobě papíru. Dále je moţné slunečnici vyuţít při výrobě mýdel, barev, laků a svíček (Qahar et al., 2010). Dle Pearsona et al. (2010) má slunečnice i potenciální vyuţití jako plodina produkující přírodní gumu. 2.1.2 Vývojové fáze slunečnice Rostlina slunečnice roční prochází od období setí aţ do sklizně jednotlivými vývojovými fázemi, které jsou interpretovány různými způsoby, v ČR je moţné se setkat s 3 základními: BBCH (0–89), vyuţívanou zejména v ochraně rostlin, stupnice dle CETIOM (0–5,4), kterou lze nalézt v modernější literatuře, a stupnice dle Schneitera a Millera (1981), která je jednou z nejuznávanějších. Poslední jmenovaná stupnice člení jednotlivé vývojové fáze do 2 základních stádií následujícím způsobem:
12
Vegetativní stádia VE
Vzcházení – semenáček se objevuje nad povrchem půdy. Tato fáze trvá aţ do objevení prvních pravých listů kratších 4 cm vyrůstajících nad děloţními lístky.
V1, V2, V3 atd.
Růstová fáze určena dle počtu pravých listů delších neţ 4 cm – označení dle jejich počtu (V1, V2 atd.). Pokud dosáhly spodní patra senescence – listy jsou opadlé, počítají se listové jizvy, vyjma jizev po kotyledonech.
Generativní stádia R1
Terminální pupen se formuje ze shluku listů do podoby miniaturního květenství. Při pohledu na rostlinu je moţné rozeznat hvězdici tvořící se z nezralých listenů.
R2
Nastává prodluţování květního krčku mezi nerozvinutým květním pupenem a nejbliţším listem přiléhajícím ke stonku o 0,5 aţ 2,0 cm.
R3
Květní krček přerůstá nejblíţe přiléhající list o více neţ 2 cm.
R4
Květní pupen se začíná rozevírat. Při pohledu shora jsou jiţ viditelné paprskovité květy.
R5
Začátek kvetení (dále označováno desetinami – 5.1, 5.2, 5.3...5.9). Dělení do fází dle procenta rozvinutí květu (př. R 5.3 – 30 % květu rozvinuto).
13
R6
Kvetení je dokončeno, paprsčité květy opadají.
R7
Spodní strana úboru mění zbarvení na bleděţluté.
R8
Spodní strana úboru je ţlutá, avšak zákrovní listeny jsou stále zelené.
R9
Zákrovní listeny mění barvu ze zelené na ţlutou, později hnědou. Tato fáze je povaţována za fyziologickou zralost.
(foto Petr Škarpa)
2.1.3 Pěstování slunečnice, nároky na prostředí Vhodné podmínky pro pěstování jsou dány původem tohoto hospodářského druhu, proto lze poţadavky na prostředí srovnávat se středně ranou kukuřicí (Zubal, 1998). Základními faktory určujícími vhodnost dané odrůdy či hybridu do zvolené oblasti je teplota, světlo, vláha a úroveň fotosyntézy (Kováčik, 2000). Dále k ovlivňujícím faktorům řadíme fyzikální a biologické vlastnosti půdy, zásobenost ţivinami a také proudění vzduchu porostem, zaručují jeho dostatečné provzdušnění a tím i zabránění rozvoji chorob (Málek et al., 2010). Teplota Slunečnice roční je teplomilnou rostlinou zařazovanou primárně do teplejších oblastí mírného pásma. Na druhou stranu jsou rostliny slunečnice schopny ve fázi vývinu děloţních lístků snášet nízké teploty aţ do -5°C a ve fázi zrání naţek je schopna odolat krátkodobému působení nízkých teplot do hodnoty -2°C bez toho, aby došlo k negativním dopadům na výnos a kvalitu konečného produktu (Málek et al., 2005). 14
Optimální teplota pro klíčení je 8–10 °C, i kdyţ jsou naţky schopny klíčit jiţ při 4°C. Avšak je nutné zdůraznit, ţe se nejedná o teplotu vzduchu, nýbrţ o teplotu půdy v hloubce setí (Málek et al., 2013). Jak uvádí Zubal (1998) či Kolovrat et al. (2008), celková potřeba sumy efektivních teplot je na hodnotách 1 600–2 200 °C při vegetační době dlouhé 120–150 dní. Nejnáročnější vývojovou fází na tento abiotický faktor je období kvetení aţ zrání naţek (červenec aţ polovina srpna), kdy je nezbytné, aby průměrná noční teplota neklesla pod hranici 18 °C a denní přesahovala hodnotu 24 °C (Černý et al., 2011). Optimální a vyrovnané teploty nemají pouze pozitivní vliv na růst a vývoj rostlin, ale ovlivňují taktéţ kvalitu konečného produktu, zejména působením na skladbu mastných kyselin, ale i vlivem na míru napadení a rozvoje houbových chorob (Kováčik, 2000). Světlo, fotosyntéza Dostatek světlaje hlavním faktorem ovlivňujícím úroveň fotosyntézy. Jeho význam je vyšší, neţ je tomu u optimálních teplot nebo zásoby půdní vody (Kováčik, Galliková, 2012). Slunečnice je rostlinou krátkodenní, řazenou dle způsobu fixace CO2 do skupiny C3. Úroveň fotosyntetické aktivity je odvislá především od velikosti listové plochy, stáří a postavení listů na lodyze, ale i celkovému stáří rostliny. Velikost listové plochy je charakterizována hodnotou LAI (leaf area index), která udává celkovou pokryvnost plochy listů na jeden metr čtvereční půdy. Pro slunečnici se udává hodnota LAI v rozmezí 2,5–3 m2/1 m2 (Málek et al., 2010). Pokud hodnoty tohoto indexu přesáhnou 3, dochází k omezení světelných podmínek v porostu, nízkému proudění vzduchu a déletrvajícímu osychání listů, coţ má za následek rozvoj houbových chorob. Toto vše nezpůsobuje pouze sníţení výnosu rostlin, ale ovlivňuje i skladbu mastných kyselin ve sklizeném produktu, kde stoupá obsah volných mastných kyselin (Málek et al., 2013). Za nejvíce náročnou vývojovou fázi na tento abiotický faktor je povaţováno kvetení a průběh tvorby naţek (Kováčik, 2000). Voda Slunečnice patří mezi rostliny suchovzdorné, které dokáţí odolávat vysokému vodnímu stresu, při kterém jsou stále schopny fotosyntézy. Avšak její transpirační koeficient je poměrně vysoký, s hodnotami v rozmezí 550–650 g vody.g-1 vyprodukované sušiny (Kováčik, 2000; Moudrý, 2003). Rozloţení celkové spotřeby 15
vody v průběhu růstu a vývoje je následující: 23% do období formování květenství, 60 % mezi fázemi zaloţení aţ oplození květů a 17% do plné zralosti (Černý et al., 2011). Nejnáročnějším obdobím vývoje je 20 dní před květem a 20 dní po odkvětu úboru (Kováčik, 2000; Pačuta, Pospíšil, 2001). Jak uvádí Málek et al. (2010), bylo prokázáno, ţe díky své suchovzdornosti je schopna odolávat stresovým podmínkám způsobeným nedostatkem vláhy trvajícím 4–6 týdnů, kdy dochází pouze k mírnému zavadání listů, které nemá významnější vliv na výnos naţek. Roční potřeba celkové sumy sráţek je ve starší literatuře (Šroller, 1997) uváděna na úrovni 450–500 mm, avšak dle modernějších prací (Málek et al., 2010) dochází ke sniţování potřeby aţ na hodnoty 240–340 mm při zachování srovnatelné schopnosti tvorby vysokého výnosu, coţ je pravděpodobně způsobeno změnou podmínek prostředí. K lepšímu hospodaření rostliny s vodou napomáhá střechovité postavení listů na lodyze, které zabezpečuje stékání sráţkové vody do bezprostřední blízkosti rostliny, kde je rozmístěno největší mnoţství kořenů, a také hloubka a mohutnost kořenového systému, zabezpečující čerpání vláhy i z hlubších profilů půdy (Málek et al., 2013). Rajonizace, nároky na pozemek a půdu Slunečnici lze na území ČR zařazovat do 2 základních oblastí a jedné oblasti okrajové, v závislosti na jejich teplotních a sráţkových podmínkách, které odpovídají obecně známým výrobním oblastem. První jsou teplejší pozemky odpovídající kukuřičné výrobní oblasti, kde lze s úspěchem pěstovat všechny hybridy slunečnice bez ohledu na jejich ranost. Do druhé oblasti charakterizované chladnějšími podmínkami, odpovídající řepařské výrobní oblasti, zařazujeme hybridy rané aţ velmi rané. Do třetí – okrajové oblasti, kterou lze srovnávat s bramborářskou či podle staršího dělení obilnářskou výrobní oblastí, pro kterou jsou charakteristické průměrné roční teploty 7,8 °C a nadmořská výška do 450 m n. m., je vhodné výlučné zařazování pouze velmi raných hybridů (Málek et al., 2010). Na vlastnosti půdy není slunečnice nijak zvláště náročná. Mezi půdy, které mohou rostlinám poskytnout optimální podmínky pro růst a vývoj rostlin vedoucí k poţadovanému hospodářskému výnosu, patří půdy humózní, hluboké, s dobrou půdní strukturou podporující průchodnost kořeny, dostatečnou zásobou půdní vláhy, 16
vyvápněné a v neposlední řadě také záhřevné. Nejvhodnějšími jsou písčité a písčitohlinité černozemě. Vhodné mohou být i hnědozemě, avšak musí být řádně vyhnojeny, či dále půdy nivního nebo luţního typu, u kterých se hladina podzemní vody nachází v hloubce 1,5–2 m. Za špatné půdy pro pěstování slunečnice povaţujeme zejména ty, které jsou těţké, mělké, zasolené a pro vodu nepropustné (Šroller, 1997; Moudrý, 2003). Nutné je také brát ohled na pH půdy, kdy negativně narůst a vývoj působí půdy kyselé, kde dochází ke sníţení přístupnosti některých ţivin (zejména P) a zvyšování absorpce Mn a Al aţ k hranici toxicity. Naproti tomu vysoké hodnoty pH se nepříznivě projevují zvýšením příjmu do rostliny, coţ má za následek omezení přístupnosti P, Mn, Fe, a také můţe docházet k ovlivnění půdní mikroflóry (Kováčik, 2000). S přihlédnutím ke způsobu pěstování slunečnice, která je širokořádkovou plodinou, je vhodné volit pozemky rovinné, neboť na svaţitých pozemcích se zvyšuje riziko vodní a větrné eroze. Půdy by měly být nezaplevelené, zvláště plevely vytrvalými z důvodu pomalejšího počátečního růstu a vývoje způsobující opoţděné zapojení porostu oproti plevelům (Kováčik, 2000). Pro nejvíce efektivní vyuţití sluneční energie je vhodné zvolit orientaci řádků ke světovým stranám od severu k jihu (Pačuta, Pospíšil, 2001). Otevřenost pozemku je důleţitá pro přirozenou ventilaci vzduchu v porostu limitující výskyt a rozvoj houbových chorob, které mohou negativně ovlivňovat výši a kvalitu výnosu (Málek et al., 2010). Dalším důleţitým faktorem ovlivňujícím volbu pozemku je skladba plodin na okolních pozemcích. Zvláštní pozornost je vhodné věnovat plodinám, které napadají stejné patogeny (Kováčik, 2000). Nutné je i zváţení výběru pozemku v rámci krajiny, kdy v příměstských oblastech a vedle lesů můţe docházet k poškozením zvěří, ptactvem, zajíci, ale i člověkem (Málek et al., 2013).
2.1.4 Výţiva a hnojení slunečnice Pro optimální vyuţití výnosového potenciálu odrůdy či hybridu za předpokladu optimálních půdních a klimatických podmínek je vyrovnaná výţiva makroelementy a mikroelementy jedním z nejdůleţitějších faktorů, které mohou mít 30 i více procentuální podíl na tvorbě výnosu (Černý et al., 2010).
17
Slunečnice je povaţována za plodinu náročnou na ţiviny, vyrovnanou výţivu a hnojení, ale vzhledem ke svému mohutnému, rozvětvenému kořenovému systému a dobré schopnosti pro osvojování ţivin má moţnost dosáhnout i na ty, které se v půdě nacházejí v méně přístupných formách, vazbách a sloučeninách či v hloubkách půdního profilu, odkud je nemohou ostatní plodiny čerpat. Celkově lze říci, ţe výţiva a hnojení ovlivňuje nejen mnoţství a kvalitu výsledné produkce, ale i zdravotní stav porostu (Šroler, 1997). Za základ výţivy a hnojení je povaţována stará půdní síla, coţ znamená aplikaci dostatečného mnoţství organických hnojiv přímo k předplodině, nejčastěji kukuřici či obilnině (Šroller, 1997). Odlišným znakem ve výţivě slunečnice, oproti ostatním kulturním plodinám, jsou její vysoké nároky na optimální výţivné podmínky ihned zpočátku růstu a vývoje (Málek et al., 2010). V souvislosti s organickým hnojením je slunečnice zařazována do druhé tratě s výjimkou půd písčitých nebo v případě pěstování po 2 plodinách nehnojených hnojem, kdy se zařazuje jiţ do tratě první. Průměrné dávky chlévského hnoje jsou 20–30 t.ha-1 (Pačuta, Pospíšil, 2001). Jak uvádí Vaněk et al. (2007), aplikace tohoto mnoţství hnoje dodá ţiviny i pro pozdější růstové fáze a pozitivně ovlivní vývoj naţek v úboru. V případě, ţe předplodinou byla obilnina, je moţné zvýšit celkovou dávku aplikovaného chlévského hnoje aţ na 35 t.ha-1. K dalším organickým hnojivům, která mohou být pouţity, patří močůvka, kterou v případě půd těţkých aplikujeme jiţ na podzim a u půd lehkých aţ na jaře (Fecenko, Loţek, 2000).
2.1.4.1 Makrobiogenní prvky Slunečnice je typickým zástupcem drasnomilných rostlin (Málek et al., 2010). Dle Kováčika a Gallikové (2012) rostlina pro produkci jedné tuny naţek odčerpá z půdy a prostředí přibliţně 50,1 kg N; 9,9 kg P; 84,2 kg K; 42 kg Ca; 12,4 kg Mg a 10,5 kg S. Rozloţení odběru ţivin jednotlivými částmi rostliny je uvedeno v grafu 1.
18
N
57 %
P
10 %
33 %
68 %
K 5%
10 %
19 %
76 %
Ca 3 % 15 % Mg
16 %
S
10 % 0%
nažky
82 % 8%
22 %
B
23 %
17 %
stonky+listy 61 %
19 % 20%
úbor
76 %
71 % 40%
60%
80%
100%
Graf 1: Procentuální zastoupení odběru živin v průběhu vegetace (Kováčik, Galliková, 2012) Při volbě strategie výţivy a hnojení je nutné si uvědomit, ţe naţky, jako hlavní produkt, zaujímají procentuálně pouze asi 25–30 % z celkové rostlinné biomasy vyprodukované na pozemku, coţ znamená, ţe 70–75 % fytomasy se vrací v podobě posklizňových zbytků zpět do půdy, kterou takto obohacuje o cenné ţiviny a organickou hmotu (Zubal, 1998). Aplikaci hnojiv provádíme na podzim a na jaře v závislosti na provedených rozborech půdy, nároků jednotlivých odrůd či hybridů a předpokládaného výnosu naţek. Podzimní aplikace se provádí v případě základního hnojení prvky P, K, Mg a také v případě potřeby S, s následným rovnoměrným zapravením do půdy (Richter, Hřivna, 2002). Na jaře aplikujeme v dělených dávkách dusík, a to ½ celkové dávky při přípravě půdy a před setím, ¼ v době setí a ¼ jako přihnojení v průběhu vegetace, které se provádí do fáze 4 párů pravých listů. Nejintenzivněji je dusík čerpán v období od 30. – 40. dne po setí aţ do období ukončení fáze růstu. Celková dávka je závislá na celkovém obsahuNmin v půdě (Richter, 2004; Kováčik, Galliková, 2012). Dle Málka et al. (2010) je vhodné provádět v případě chladného jarního počasí aplikaci hnojiv pod patu, coţ zvýší dosaţitelnost ţivin. Významy jednotlivých makrobiogenních prvků jsou uvedeny v tabulce 1.
19
Tab. 1: Význam jednotlivých makroelementů ve výživě slunečnice ŢIVINA
DUSÍK
FUNKCE V ROSTLINĚ, PROJEV DEFICIENCE, NADBYTKU Strukturní: Přítomnost v buněčných stěnách, součást chlorofylu, nukleových kyselin, aminokyselin, enzymů regulujících biochemické procesy, účast na metabolismu vitamínů. Produkční: Ovlivnění vývoje listových a bočních základů, počtu květů a plodů. Deficience: Ţloutnutí listů od báze stonku, zpomalení aţ zastavení růstu. Projevy nejdříve na starších listech – bledě zelené aţ ţluté zbarvení. Nadbytek: Bujný růst, tmavě zelené zbarvení, citlivost ke stresům způsobeným suchem. Funkce: Pevnost stonku, ovlivňuje vodní reţim (podporuje osmotický příjem vody, buněčný turgor – správná funkce stomat), odolnost ke stresům způsobeným suchem, houbovými patogeny, ovlivňuje počet naţek v květenství a olejnatost semen.
DRASLÍK
FOSFOR
Deficience: Změna zbarvení listů ze zelené na modrozelenou (azurovo-modrý odstín), kovový lesk. Později změny zbarvení ustávají a nastupuje uvadání a kroucení starších listů, ţloutnutí a zasychání. Dochází ke ztenčení buněčných stěn způsobující poléhání porostů na návětrných pozemcích. Energetická: Přítomnost v ATP, GTP, UTP. Strukturní: Přítomnost v nukleových kyselinách a fosfolipidech. Ovlivnění počtu nasazených květů a naţek, jejich kvality a sloţení. Zvýšení obsahu oleje a schopnosti vyuţití dusíku obsaţeného v aplikovaných hnojivech. Deficience: Deformace květů, úbory jsou málo vyvinuté, sníţení počtu a hmotnosti naţek, sníţení obsahu oleje, hyperchlorofylace listů.
HOŘČÍK
VÁPNÍK
Funkce: Centrální postavení v molekule chlorofylu, nepostradatelný pro průběh fotosyntézy, biochemické a enzymatické reakce – tvorba glycidů. Deficience: Ţluté, oranţové, červené aţ purpurové skvrny na starších, plně vyvinutých listech, nebo dochází ke chlorózám s barevnými okraji, ale nervatura zůstává stále zelená. Funkce: Metabolismus rostlin – zintenzivnění látkové výměny, ovlivňuje přeměny dusíkatých látek, aktivitu enzymů, zrychlení spotřeby bílkovin, pozitivně působí na biosyntézu bílkovin. Upravuje vlastnosti půdy, podporuje růst kořenů, zvláště kořenového vlášení. Deficience:Viditelné ojediněle – nejčastěji způsobené antagonistickým působením draslíku. Zhoršení tvorby kořenů, vyšší opad květů, poruchy růstu vegetačního vrcholu, jeho zaškrcení a následný opad.
SÍRA
Funkce:Účast v řadě metabolických procesů – oxidačně-redukční pochody, aktivace enzymů, bílkovinná látková výměna. Obsaţena v sirných aminokyselinách – cystein, methionin, které se nacházejí ve struktuře bílkovin. Sloţka vitamínů – thiamin, biotin, koenzym A, ferredoxin. Hlavní funkcí u slunečnice je podpora utilizace dusíku, zvláště v období počátku růstu.
Deficience: Ţluté zbarvení mladých listů, omezení růstu rostlin. U olejnin pokles syntézy sirných AK, coţ vede k inhibici syntézy bílkovin a zvýšení tvorby volných AK a tím sníţení výnosu a kvality produkovaného oleje. (Richter, 2004; Málek et al., 2005; Málek et al., 2010; Cerkal et al., 2011; Kováčik, Galliková, 2012; Málek et al., 2013)
20
2.1.4.2 Mikrobiogenní prvky Mezi základní mikroelementy důleţité pro růst a vývoj rostlin slunečnice patří zejména B, Zn, Mo, Fe, ale i další, dle podmínek stanoviště a potřeb dané odrůdy či hybridu (Málek et al., 2005). Významy jednotlivých mikrobiogenních prvků jsou uvedeny v tabulce 2. Přístupnost mikroţivin je závislá zejména na pH půdy, obsahu a frakčním sloţení organické hmoty, hodnotách sorpčního komplexu, koncentraci anorganických látek v půdním roztoku a dalších faktorech (Michalík, 2005). Všeobecně lze říci, ţe v kyselejším prostředí dochází k lepší rozpustnosti Fe, Mn, Zn, Cu a B, coţ zvyšuje jejich přijatelnost rostlinami, naopak je tomu u Mo, kde se přijatelnost sniţuje (Fecenko, Loţek, 2000). Realizace doplňování mikroţivin prostřednictvím půdní aplikace je problematická, zvláště z důvodu ovlivnění jejich mobility nevhodnými půdními podmínkami (pH půdy, sucho, aj.), které působí na jejich rozpustnost a tím i přístupnost pro rostliny (Michalík, 2005). Proto je vhodné pro prevenci deficience mikroelementů provádět mimokořenovou výţivu – foliární aplikaci (Richter, 2004).
21
Tab. 2: Význam jednotlivých mikroelementů ve výživě slunečnice ŢIVINA
ŢELEZO
FUNKCE V ROSTLINĚ, PROJEV DEFICIENCE, NADBYTKU Funkce: Tvorba chlorofylu, součást mnohých enzymů účastnících se přenosu energie, účastní se syntézy chlorofylu, bílkovin, NK. Deficience: Na vrcholu rostliny dochází k omezení tvorby chlorofylu, nejmladší listy ţloutnou. Chlorózy postihují celý list včetně okolí nervatury. Funkce: Syntéza chlorofylu, zúčastňuje se syntézy bílkovin, NK a dalších sloučenin.
MANGAN
Deficience: Na mladých listech charakteristické světlé skvrny mozaikovitého charakteru. Funkce: Ovlivňuje aktivitu mnoha enzymů z glycidového metabolismu, dochází k pozitivnímu ovlivnění transportu asimilátů z listů do zásobních orgánů. Podílí se na syntéze bílkovin i fotosyntetických pigmentů. Výrazný vliv na zvyšování sušiny a HTZ. V neposlední řadě se podílí na syntéze oleje v naţkách.
ZINEK Deficience: Ţlutá chloróza, která se postupem času mění na hnědou. Celkově lze říci, ţe je omezen růst a tvorba listů i stonků. Nadbytek: Bílé aţ světle ţluté skvrny – postupná nekrotizace a odumírání celých listů. Při vysoké deficienci dochází k zastavení růstu a listy vegetačního vrcholu se stáčejí. Funkce: Metabolismus sacharidů, dusíkatý metabolismus, nutná přítomnost pro syntézu ligninu a zvýšení odolnosti k vadnutí. MĚĎ
BÓR
Deficience: Chronická onemocnění, nejprve normální růst a v pokročilém stádiu odumírání apikálních listů, zasychání a změna barvy aţ do výrazně ţluté barvy. Postiţeny jsou zejména starší listy, ze kterých je měď přednostně transportována do mladších. Zastavení růstu, pokles turgoru a vadnutí. Funkce: Tvorba generativních orgánů, transport asimilátů z listů a chloroplastů do zásobních orgánů, růst kořenové soustavy a správný růst a činnost meristematických pletiv. Deficience: Slunečnice reaguje na nedostatek velice citlivě. Sníţení tvorby cytokininů – vliv na správné dělení buněk a omezení odbourávání chlorofylu. Mladší listy – bronzové zbarvení, nekrotické skvrny, stonky korkovatí a úbory se deformují s následným sníţením tvorby naţek. Nadbytek: Nekrotizace pletiv, odumírání listů i celých rostlin. Funkce: Součást enzymových systémů zabezpečujících fixace dusíku, nezbytný v metabolismu dusíku a síry, syntéze bílkovin a je zapojen do tvorby pylu.
MOLYBDEN
Deficience: Ţlutozelené zbarvení začínající od vegetačního vrcholu, čepel listu je lodičkovitě prohnutá. Světle hnědé nekrózy listu, které začínají od okraje a postupují do středu – list následně celý odumírá. (Richter, 2004; Málek et al., 2005; Málek et al., 2010; Cerkal et al., 2011; Kováčik, Galliková, 2012; Málek et al., 2013)
22
2.2 Biofortifikace 2.2.1 Minerální podvýţiva Lidské tělo vyţaduje více jak 22 minerálních prvků, které lze doplňovat řádnou a vyrovnanou výţivou. Avšak lidé ţijící v rozvojových zemích často inklinují ke kaţdodenní konzumaci velkého mnoţství jedné či dvou základních potravin, nejčastěji ze skupiny obilovin, jimiţ pokrývají ze 70–80 % svůj celkový kalorický příjem. Tato strava je monotónní a velice chudá na potřebné látky (např. mikroelementy) a vede k jejich nedostatku (Thompson, 2011). Důleţitou roli zde hraje pěstování plodin na minerálně chudých půdách, kde je nedostatek mikroelementů zejména Fe, Zn, Ca, Mg, Cu nebo také Se, dále také nízká konzumace ovoce, zeleniny, rybích a ostatních ţivočišných produktů. Je odhadováno, ţe téměř 6 miliard lidské populace přijímá ve své potravě nedostatečné mnoţství Fe (60–80 % populace), Zn, I (>30 %) a Se okolo 15 % (White, Broudley, 2005). Dle odhadů expertů trpí téměř 2 miliardy populace minerální podvýţivou známou jako „hidden hunger“ neboli skrytý hlad, který je způsobený kritickým nedostatkem vitamínů a minerálů ve výţivě, jako je vit. A, Zn, Fe, ale i dalších (Bouis, Islam, 2011). Podvýţiva je celosvětově přímo zodpovědná za přibliţně 35 % všech dětských úmrtí ve věku 0–5 let a 11% celkové světové nemocnosti (LeyvaGuerrero, Narayanan et al., 2012). Zemědělství je primárním zdrojem ţivin nutných pro zdravý a plnohodnotný ţivot, ale pěstební technologie a zemědělská politika byly v novodobé historii spíše zaměřeny na produktivitu farmy neţ na zvyšování výţivné hodnoty jednotlivých rostlinných produktů. A proto s přihlédnutím ke stálé se rozrůstající světové populaci a zvyšujícímu se počtu osob postiţených skrytým hladem je nutné prozkoumat moţnosti řešení tohoto problému na úrovni prvovýroby (Bouis, Islam, 2011). Z těchto důvodů se v posledních letech zaměřila orientace z výlučného zvyšování mnoţství potravin směrem k produkci potravin bohatých na ţiviny (Saltzman et al., 2013). V některých zemích bylo k řešení nedostatku ţivin ve výţivě s úspěchy vyuţito programů, které se zaměřovaly na průmyslovou fortifikaci v průběhu zpracovávání potravin, avšak tato snaha je značně omezena ekonomickým postavením země, její vyspělostí, industrializací zemědělství a zpracováváním potravin. Vzhledem k tomu, ţe nejvíce postiţeny jsou právě populace v rozvojových zemích, je primárním zájmem 23
vyvinout takové postupy, které by umoţňovaly produkovat potraviny s vyššími obsahy deficitních látek s co nejniţšími náklady, vysokou efektivitou a dostupností pro všechny populace (Carvalho, Vasconcelos, 2013).
2.2.2 HarvestPlus HarvestPlus Challenge Program je součástí programů CGIAR1 a jejího výzkumného programu pro zemědělství, výţivu a zdraví (A4NH 2), který napomáhá realizovat potenciál rozvoje zemědělství, poskytnout genderově spravedlivé zdravotní a nutriční výhody pro chudé. CGIAR je výzkum pro zajištění potravinové bezpečnosti do budoucnosti (HarvestPlus, 2015). Jde o hlavní mezinárodní společenství pro vývoj nových genotypů rostlin s vysokou koncentrací mikroelementů aplikací klasických i moderních šlechtitelských postupů (Cakmak, 2010). Tento program byl zahájen v roce 2004 s cílem eliminovat minerální podvýţivu v rozvojových zemích (převáţně na kontinentech Afrika, Asie) se zaměřením na 7 základních potravin, které představují stěţejní sloţku stravy většiny populace. Řadí se sem rýţe, fazole, batáty, maniok, kukuřice, pšenice a proso (Carvalho, Vasconcelos, 2013). Snahou je obohacení základních potravin o jednu či více ze tří základních nutričních látek (Fe, Zn, provit. A), které jsou ve výţivě v daných oblastech nejvíce deficitní. V rámci A4NH probíhají biofortifikační programy na globální, regionální, ale i státní úrovni (Bouis, Islam, 2011).
2.2.3 Vysvětlení pojmu biofortifikace Fortifikace je postup pro úmyslné zvyšování obsahu vitamínů, minerálů a také stopových prvků v potravě tak, aby se zlepšila její nutriční kvalita jako přínos pro lidské zdraví s minimálními riziky (WHO, 2014). Způsobů, jak lze dodat deficitní látky do potravinového řetězce, je více (Imitiaz et al., 2010): -
Potravinové doplňky, které suplementují hladiny chybějících prvků v podobě tablet, sirupů či jiných forem potravinových doplňků,
1
Consultative Group on International Agricultural Research (Konzultační skupina pro mezinárodní Agriculture for Nutrition and Health (Zemědělství pro výţivu a zdraví)
2
24
zranitelným skupinám skrze zdravotní péči. Toto však nelze povaţovat za řešení v okrajových částech světa, jak ze sociálního, tak i geografického hlediska. -
Průmyslová fortifikace, která je orientovaná na suplementaci potřebných ţivin do klasicky konzumovaných potravin, nápojů či koření v průběhu jejich zpracovávání. Toto řešení je také uplatnitelné pouze v rozvinutých a vyspělých zemích. Dalším omezením můţe být i fakt, ţe dle Outzen et al. (2015) bylo několika lékařskými studiemi dokázáno, ţe dodávání mikroelementů prostřednictvím potravinových doplňků a průmyslové fortifikace nemusí vţdy mít na člověka stejné účinky, jako je tomu u přirozeného doplňování prostřednictvím stravy.
-
Nové strategie neboli biofortifikace, jsou zacílené na populace, u kterých je problém s nedostatkem mikroelementů nejvíce alarmující, tedy rozvojové země. Místo drahých výţivových doplňků se přidávají prospěšné látky do obvyklé stravy jiţ „na poli“ a zlepšuje se tak její výţivová hodnota (Winkler, 2011). Úspěch těchto postupů bude záviset na zkonzumovaném mnoţství základních potravin a jejich formě (Meenakshi et al., 2007). I kdyţ tato strategie nemůţe, v porovnání s průmyslově vyráběnými potravními doplňky, dodat vysoké mnoţství vitamínů a minerálů najednou, její smysl je především v tom, ţe zvyšuje obsah ţiviny v průběhu celého ţivotního cyklu (Bouis,Islam, 2011).
2.2.4 Způsoby biofortifikace K biofortifikaci dochází skrze následující postupy (Gibson, 2011): -
Agronomická
biofortifikace
–
zvyšování
obsahu
minerálních
látek
prostřednictvím aplikace hnojiv (Fe, Se). -
Klasické šlechtění rostlin – zvyšování obsahu mikroelementů (např. Zn v pšenici, rýţi, kukuřici nebo Fe ve fazolích, prosu a provitamínu A v batátách a kukuřici) konvenčním šlechtěním nových odrůd.
25
Genetické modifikace (transgenní postupy) – zvyšování obsahu ß-karotenu
-
v rýţi, redukce kyseliny fytové v obilovinách aj. genovou modifikací rostlin.
2.2.4.1 Agronomická biofortifikace Agronomická biofortifikace je definována jako strategie, která vede ke zvyšování koncentrací biologicky dostupných esenciálních ţivin v jedlých částech kulturních plodin za pouţití hnojení (Hall et al., 2011). Dnes je zvyšování koncentrace mikroelementů v základních potravinách, zejména obilovinách, reprezentováno jako důleţitá humanitární výzva a vysoce prioritní sféra výzkumu. Pouţití hnojiv, zejména případ foliární aplikace, je vysoce účinný pro Zn a Se, ale také i pro I a Co (Camak, 2014). Jak hnojiva obsahující makroelementy (N, P, K, S), tak hnojiva s vybranými mikroelementy (Zn, Ni, I, Co, Mo, Se) mohou mít významný vliv na akumulaci ţivin v jedlých částech rostlin, ať uţ jsou aplikována do půdy či na list. Uvedené způsoby biofortifikace však mají u některých mikroelementů velice malý efekt, a to v souvislosti s jejich omezenou schopností pohybu floémem (nízkou mobilitou), jako je tomu například u Fe (Bouis, Welch, 2010). Důleţitou roli zde hraje i vliv prostředí, kdy na příjem mikroelementů negativně působí vápenaté půdy, vysoké pH, nízký nebo naopak vysoký
obsah
organické
hmoty,
zasolení,
sucho,
vysoká
koncentrace
hydrogenuhličitanu v závlahové vodě a v neposlední řadě i nevyváţená aplikace hnojiv (Imitiaz et al., 2010). Uvedený přístup má jednu velkou výhodu, a to ţe funguje velice rychle, ale jako dlouhodobá strategie pro zlepšování stavu veřejného zdraví je velice neefektivní. Zásadním problémem je nutnost mnohdy opakované aplikace hnojiv, cena hnojiv, náročnost na jejich distribuci a skladování, zvláště v rozvojových zemích, a nelze také opomenout jejich samotnou aplikaci (Winter, 2011). Mezi limity agronomické biofortifikace patří rozdílné zpracování a sloţení půdy v jednotlivých regionech, odlišná mobilita jednotlivých prvků v rostlině, schopnost rostlin tyto prvky akumulovat a její potenciální hrozba pro ţivotní prostředí (Hirschi, 2009). Dalším omezením je fakt, ţe prostřednictvím aplikace hnojiv lze navyšovat pouze obsahy anorganických prvků, které si rostlina neumí vytvářet ve svém těle (Carvalho, Vasconcelos, 2013). Proto je vhodné 26
tento postup realizovat jako doplněk k ostatním šlechtitelským snahám (Saltzmanet al., 2013). Agronomická biofortifikace selenem K agronomické biofortifikaci selenem mohou být pouţity různé strategie, mezi které řadíme moření osiva, máčení osiv, půdní nebo foliární aplikace (Nawaz et al., 2014). Toto potvrzuje Cartes et al. (2011) ve svém výzkumu, z jehoţ výsledků je patrné, ţe peletizace semen jílku vytrvalého (Lolium perenne L.) v mnoţstvích 5–60 mg Se.ha-1 ve formě seleničitanu sodného (Na2SeO3) má pozitivní vliv na zvyšování příjmu selenu z půdy bez negativního dopadu na výnos rostlin. Nicméně jednoduchost a praktičnost půdní a foliární aplikace dělá tyto způsoby uplatnitelnější. Vhodné je vyuţít selen ve formě selenanu/seleničitanu sodného, a to jak k aplikaci do půdy (společně s komerčními hnojivy), nebo jako samostatnou foliární aplikaci (Aspila, 2005). Selenan sodný je forma slabě absorbovatelná na půdní koloidy, coţ zajišťuje rychlý nárůst koncentrace selenu v rostlinách, čehoţ se vyuţívá zejména u pastevních porostů (Lyons et al., 2005). Při uţití Na2SeO4 nebo K2SeO4 je selen pohotově přijímán, ale pro dlouhotrvající účinek je vhodné uţít seleničitanu nebo méně rozpustné formy selenanu jako je BaSeO4 (Broadley et al., 2006). Mnoho studií potvrdilo pozitivní vliv půdní aplikace selenu na rozdílné rostliny, jako je kukuřice, rýţe, sója, divoký ječmen. Foliární aplikace byla uplatněna u zeleniny, jako je cibule, mrkev, ředkvička a česnek, nebo také u obilnin, speciálně pšenice (Nawaz et al., 2014). Fernandes et al. (2014), testovali vliv suplementace Se ve formě Na2SeO3 na rostliny rýţe (Oryza sativa L.) a ředkvičky (Raphanus sativus L.) na písčitých a písčitohlinitých půdách. V tomto pokusu došlo k navyšování obsahu selenu v jedlých částech rostlin v lineární závislosti na zvyšovaných dávkách a v závislosti na půdních podmínkách. Při nárůstu obsahu selenu v jedlých částech docházelo k nepřímé úměře mezi obsahem jílových částic v půdě a konečným obsahem selenu v jedlých částech rostlin. Ve výzkumu Saffaryazdiho et al. (2012) byly provedeny pokusy s rostlinami bramboru, kdy došlo po aplikaci selenu k navýšení akumulace sacharidů v listech a hlízách. U rostlin sóji došlo ke zvýšení výnosu (zvýšení počtu semen v lusku, počtu lusků na rostlině a celkové hmotnosti semen). Chilimba et al. (2012) ve svém výzkumu 27
testoval reakci kukuřice na aplikaci selenu ve 3 formách: kaplné hnojivo s obsahem selenu ve formě Na2SeO4, vícesloţkové hnojivo NPK + Na2SeO4 a LAV s přídavkem Se ve formě Na2SeO4. Ve svých výsledcích uvádí, ţe došlo u všech variant k nárůstu obsahu selenu v zrnu (19,7; 20,7; 14,8 g Se.kg-1zrna). Vhodným příkladem můţe být i výzkum, který provedl Mao et al. (2014), kdy v rámci svého experimentu zaloţili dva pokusy pro zjištění vlivu půdní a foliární aplikace selenu, zinku a jódu. První pokus byl zaloţen na testování půdní aplikace selenu k následujícím plodinám: kukuřice (Zea mays L.), sója (Glycine max L.), brambory (Solanum tuberosum L.), zelí (Brassica oleraceae L. conv. capitata L. Alef.), ozimá pšenice (Triticum aestivum L.) a řepka (Brassica napus L. var. napus). Kaţdá plodina měla dvě varianty hnojení, respektive 3 – kontrola, selenan sodný (Na2SeO4) a seleničitan sodný (Na2SeO3), toto hnojivo bylo aplikováno na půdu v podobě roztoku a zapraveno společně s N a P hnojivy před setím do hloubky 20 cm pomocí brán. Pro druhý pokus – foliární aplikaci byla zvolena pouze pšenice (Triticum aestivum L.), na kterou byl aplikován selen ve formě seleničitanu v pozdní fázi kvetení. U první varianty pokusu nebyly zjištěny ţádné rozdíly ve výnosu u neošetřených i ošetřených variant. Obě varianty však měly pozitivní vliv na navyšování obsahu selenu v jedlých částech plodin. Z výsledků je patrné, ţe aplikace ve formě selenanu byla účinnější neţ ve formě seleničitanu. Ve formě selenanu došlo k nárůstu koncentrace 78–228 násobně, při aplikaci 1 g Se.ha-1 se u pšenice zvýšil obsah o 17,4 µg.kg-1, u kukuřice o 8,6 µg.kg-1, 17,3 µg.kg-1 u sóji, 10,2 µg.kg-1 u bramborových hlíz, u řepky 4,1 µg.kg-1 a 76,8 µg.kg1
u listů zelí. Navýšení koncentrace po pouţití seleničitanu bylo niţší – jen asi 5–14krát,
u zrna kukuřice došlo k nárůstu o 0,2 µg.kg-1, u sóji o 1,2 µg.kg-1, o 0,9 µg.kg-1 u bramboru a o 6,5 µg.kg-1 u listů zelí. Ve druhém pokusu (foliární aplikace) nebyl taktéţ pozorován výrazný vliv aplikace selenu na produkci hmoty a výnos, ale došlo k výraznému navýšení koncentrace selenu v zrnu v lineární závislosti na navyšované dávce (při dávce 1 g.ha-1 došlo k nárůstu 4,6 µg.kg-1). Z uvedených výsledků je patrné, ţe biofortifikace selenem byla velice úspěšná. Při suplementaci rostlin Se můţe také zvýšit produkci a kvalitu jedlých částí rostlin zapříčiněných zvýšením antioxidační aktivity rostlin, jak bylo dokázáno u rýţe a čajových lístků (Saffaryazdi et al, 2012). Nejznámějším příkladem uţití agronomické biofortifikace selenem je Finsko (Winkler, 2011). V 70. letech zde byl denní příjem selenu hluboko pod doporučenou 28
denní dávkou (30 µg.člověk-1). Jakmile se tato informace dostala do médií, došlo k dramatickému vzestupu poptávky obyvatelstva po potravních doplňcích a dalších produktech s vysokým obsahem selenu. To se však ukázalo jako vysoce neudrţitelný způsob doplnění selenu do organismu, zejména z důvodu nerovnoměrného a někdy i nadlimitního příjmu Se, nehledě na to, ţe se tyto doplňky dostaly jen k určitým skupinám obyvatelstva (Aspila, 2005). Proto bylo vhodné přistoupit k jinému způsobu obohacení stravy o produkty s vyšším obsahem selenu. Řešení přišlo ze strany Ministerstva zemědělství a lesnictví v roce 1984, které nařídilo, ţe vícesloţková hnojiva (NPK) by měla být suplementována selenem ve formě selenanu sodného (Na2SeO4). Pro všechna hnojiva byla určena dávka 16 mg Se.kg-1 hnojiva pro konvenční produkci a 6 mg Se.kg-1pro luční porosty (Ekholm et al., 2005). Na jaře roku 1990 bylo vše přehodnoceno a vydáno nové rozhodnutí, ţe pouze tuhá vícesloţková hnojiva budou suplementována selenem a jen do výše 6 mg Se.kg-1 hnojiva, přidávání k ostatním hnojivům bylo zakázáno. Vše bylo důsledkem nad očekávání vysokého nárůstu obsahu selenu v zrně obilnin i navýšení jeho příjmu člověkem. Dalším důvodem byly i moţné dopady suplementace na ţivotní prostředí. V průběhu let proběhly další změny nařízení, kdy poslední je z roku 1998, kde bylo ustanoveno mnoţství suplementovaného selenu v podobě seleničitanu na 6–10 mg Se.kg-1 NPK (Salminen, 2005).
2.2.4.2 Konvenční šlechtění Všechny krytosemenné rostliny vyţadují stejné minerální prvky, avšak jejich obsah se v jednotlivých pletivech liší mezi rostlinnými druhy, i kdyţ jsou pěstovány na stejném pozemku i ve stejných podmínkách. Uvedená variabilita v koncentracích jednotlivých prvků (např. K, Ca, Mg, Si, Ni, Zn) můţe být i v řádech, nebo i vyšší. Vše je ovlivněno evolučním vývojem jednotlivých druhů rostlin. Je známo mnoho o molekulárních mechanismech, které ovlivňují utilizaci Fe, Zn, Ca, Mg i Se v rostlinách. Tyto znalosti jsou důleţité pro rozvoj funkčních markerů (DNA-sekvence), pro konvenční šlechtění i vyuţití v genetickém inţenýrství (White, Broadley, 2005). Příkladem rozdílných hladin esenciálních prvků mohou být odlišné genotypy rýţe, kde jsou aţ 4násobné rozdíly v obsahu Fe a Zn, u fazolí a hrachu jsou tyto rozdíly aţ 6,6násobné (Hirschi, 2009). Celkový obsah dané ţiviny v plodinách však nemusí být průkazným ukazatelem nutriční kvality, zejména z důvodu, ţe ne všechny ţiviny jsou 29
člověkem absorbovány (Hirschi, 2008). Proto odborníci na výţivu musí určit cílovou hladinu obsahů ţádaných ţivin, na které se budou šlechtitelé orientovat ve svých programech s přihlédnutím k několika aspektům (Bouis, Islam, 2011): -
ztráty ţivin po sklizni plodiny (degradace a ztráty během skladování, zpracovávání a konečných úprav – vaření),
-
mnoţství základních potravin, které je skutečně denně zkonzumováno s přihlédnutím na věk a pohlaví,
-
mnoţství ţiviny, které tělo skutečně přijme, neboli jejich biologická dostupnost.
Zvyšování koncentrace ţivin v jedlých částech rostlin je pouze prvním krokem ke zlepšení celkového zdraví populace, a to z důvodu obsahu antinutričních látek v pletivech rostlin, které brání biologické dostupnosti a vyuţitelnosti deficitních ţivin. Proto se manipulace s hladinou antinutričních látek a prekurzorů ţivin v potravinách jeví jako účinnější strategie neţ pokusy o pouhé zvyšování koncentrace ţivin (Zhao, McGranth, 2009). Obecně platí, ţe semena základních potravin obsahují nízké mnoţství biologicky dostupného Fe a Zn (asi 5 % z celkového Fe a 25 % z celkového Zn). Při pouţití konvenčního šlechtění by mělo být z genetického hlediska mnohem jednodušší zvýšit jejich biologickou dostupnost a vyuţitelnost neţ pouze navyšovat celkový obsah. Mezi látky sniţující biologickou dostupnost Fe a Zn řadíme fytáty, některé fenoly nebo promotorní látky, jako je feritin (Bouis, Welch, 2010). Základním stavebním kamenem tohoto přístupu je niţší počet genů zapojených do biosyntézy těchto látek, neţ je tomu u jejich příjmu, transportu a ukládání v jedlých částech rostlin, coţ dělá celý šlechtitelský proces o něco snazší (Bouis, Welch, 2010). Rovněţ pouţitím účinných genotypů zlepšujících čerpání mikroelementů, zejména v podmínkách jejich omezené prostorové a časové dostupnosti (důsledkem jejich biologické či chemické fixace), dochází ke zvyšování dostupnosti stopových prvků v půdní zásobě skrze změnu chemických a mikrobiologických vlastností v rhizosféře uvedených genotypů (Imitiaz et al., 2010). Potenciál pro zvyšování obsahu stopových prvků
v základních
potravinách
poskytuje
dostatečná
genetická
variabilita
u koncentrace β-karotenu a dalších funkčních karotenoidů, Fe, Zn a ostatních stopových prvků jiţ na úrovni odrůd a dělá tak výběr nutričně odpovídajících šlechtitelských 30
materiálů moţný. U stopových prvků je moţné při šlechtění nakombinovat jejich zvýšený obsah s vysokým výnosem, na rozdíl od obsahu bílkovin a zvýšení produkce, mezi kterými je negativní korelace (Nestel, 2006). Konvenční šlechtění k navýšení obsahu Se v potravním řetězci je vyuţitelné například u chlebové pšenice, u které je mezi moderními odrůdami nízká variabilita ve schopnosti příjmu selenu, kterou lze kompenzovat kříţením s příbuznými druhy (T. dicoccum a T. spelta) nebo se vzdáleně příbuznými divokými pšenicemi (A. tauchii), které mají ve svých tkáních vyšší koncentrace selenu, neţ je tomu u kulturních pšenic (White, Broadley, 2005; Hirshi, 2009;). Proces vývoje biofortifikované plodiny zahrnuje všechny šlechtitelské činnosti. Prvním krokem šlechtitelů je screening stávajících odrůd a průzkum v globálních genových bankách, který má ukázat, jestli existují dostačující genetické variace pro konkrétní znak v rámci druhu (Saltzman et al., 2013). Konvenční šlechtitelský výzkum dokazuje, ţe obsah stopových prvků můţe být navýšen bez negativních dopadů na danou plodinu a její agronomické vlastnosti (Bouis et al., 2013). Příklady jednotlivých biofortifikovaných plodin jsou uvedeny v tabulce 3. Nutným předpokladem pro úspěšné a udrţitelné vyuţívání biofortifikovaných plodin je usnadnění šíření osiva, analýza trţních řetězců, zvyšování výrobní kapacity osiva (sadby), studie přijatelnosti pro spotřebitele a podpora politického prostředí (Bouis, Welch, 2010). V porovnání s transgenními postupy jsou biofortifikované plodiny vzniklé klasickým šlechtěním mnohem lépe přijaty cílovými skupinami a hlasitými odpůrci genetického inţenýrství (Hirschi, 2009). Hlavním důvodem můţe být zapojení zemědělců
do
šlechtitelského
procesu
v místních
výzkumných
institucích
(Tumuhimbise et al., 2013). Na druhou stranu má oproti transgenním postupům výrazné nevýhody. Často se musí spoléhat na omezenou genetickou variabilitu uvnitř genetického fondu daného druhu, coţ ale můţe být v některých případech překonáno přenesením vlastnosti ze vzdálených příbuzných a zabudováním do komerčních odrůd. Případně mohou být nové znaky zakomponovány do komerční odrůdy přímo, a to mutagenezí (Hirschi, 2009). Dalším negativním faktorem můţe být obava o přírodní zásoby mikroelementů, které budou odčerpány vyuţitím zrn s biofortifikovaným genotypem. Proto je základní a 31
stěţejní podmínkou úspěšnosti této strategie dostatečné mnoţství stopových prvků v půdě, které budou pro tyto rostliny dostupné. Za negativum lze povaţovat i časovou náročnost vývoje, který vyţaduje nemalé úsilí i finanční zdroje bez jistoty, ţe „vylepšená odrůda“ bude funkční po takto dlouhodobém vývoji a obrovských vloţených investicích (Imitiaz et al., 2010). Shrnutí výhod a nevýhod jednotlivých biofortifikačních strategií je znázorněno v tabulce 4 ve formě SWOT analýzy.
2.2.4.3 Transgenní postupy Tyto strategie nabízejí rychlý způsob, jak dodat do elitních a nejčastěji pěstovaných odrůd poţadované znaky, a jejich zvláštností je, ţe nový znak je zabudován přímo do genomu rostliny (Zhu et al., 2007). Uplatnění mají tam, kde se nenachází dostatečná genetická variabilita pro poţadovaný znak v rámci druhu, či se u plodiny vyskytují vlastnosti, které brání jejímu vyuţití pro konvenční šlechtění (Carvalho, Vasconcelos, 2013). Cíle transgenů zahrnují redistribuci stopových prvků mezi jednotlivými orgány, zvýšení efektivity biochemických procesů v jedlých pletivech, nebo dokonce i rekonstrukce vybraných metabolických drah. Některé strategie se místo navyšování obsahu cílových látek zaměřují na zvyšování biologické dostupnosti stopových prvků (Mayer et al., 2008). Základem geneticky modifikovaných (GM) plodin je jejich rozlišení na 2 typy, vznikající agronomickou a nutriční GM (Winkler, 2011). -
Agronomické změny: představují takové postupy, které zlepšují podmínky pro růst rostlin. Největší uplatnění nalézají prozatím pouze v Číně a USA. K nejznámějším a nejběţnějším řadíme k herbicidu odolnou sóju (Roundup Ready sója) a kukuřici odolnou k zavíječi kukuřičnému (Bt kukuřice). Nově je vzhledem k hrozbě globálního oteplování výzkum zaměřen směrem ke schopnosti rostlin odolávat stresům způsobeným suchem a zasolením.
-
Nutriční úpravy: mají za cíl zlepšení nutričních vlastností plodin. Dodávají rostlinám ţiviny, které zde zcela chybí nebo jsou ve velmi nízké koncentraci. Jedná se zejména o případy, kde je konvenční šlechtění nemoţné. Patří sem navyšování základních tuků v olejnatých 32
semenech, škrobů a bílkovin v bramborách, ţeleza v rýţi, minerálů v zahradních plodinách, glukosinolátů v košťálovinách, flavonoidů v zelenině. Důleţitou součástí je řada „zlatých“ plodin, kam patří rýţe, kukuřice, maniok, banánovník, lilek brambor, květák, povijnice batátová a hořčice, kde označení „zlatá“ je odvozeno od vloţeného genu βkarotenu, který se přeměňuje na vitamín A, propůjčující ţlutooranţovou barvu jedlým produktům vyjmenovaných plodin. Doplňující součástí nutričního programu je redukce antinutričních látek, jakými jsou alergeny, glykosidy a fytáty, které brání vstřebávání ţivin. Zvolený postup závisí na tom, zda je poţadovaná nutriční sloučenina syntetizována de novo v rostlině či je získávána z prostředí. Organické molekuly, jako jsou aminokyseliny, mastné kyseliny, vitamíny, jsou syntetizovány rostlinou. Zvýšení nutriční hodnoty vyţaduje určité formy metabolického inţenýrství s cílem zvýšit mnoţství ţádoucích látek, sníţit mnoţství konkurenční sloučeniny či rozšířit stávající metabolické cesty k vytvoření nového produktu. Naproti tomu anorganické látky jsou získávány z okolního prostředí, a tak je nutné vyuţít strategie, které upravují mechanismus příjmu, transportu a/nebo zabudovávání těchto látek do pletiv sklízených jedlých částí rostlin (Zhu et al., 2007). Pokud je cílem obohacování rostlin o minerální látky, spoléhají transgenní postupy na zlepšování jejich uvolňování z půdy, absorpci z rhizosféry, translokaci v odnoţích a ukládání minerálních látek v biologicky dostupných formách do konzumovaných částí rostlin. U těchto strategií se jedná zejména o navyšování obsahu Fe. Odlišnou strategií můţe být zvyšování biologické dostupnosti minerálních látek (Fe a Zn) v jedlých částech rostlin zvyšováním koncentrace kovy vázajících proteinů (ferritin) a zvyšování obsahu promotorových sloučenin, jako je kyselina askorbová, β-karoten a peptidů obsahující cystein k redukci antinutričních látek (fytáty, třísloviny) v jedlých částech rostlin. Tyto strategie dosáhly určitého úspěchu u endospermu rýţe, kde došlo k expresi rostlinného ferritinu a zvýšení koncentrace Fe, Zn, Cu (White, Broadley, 2005). Dále lze vyuţít jako alternativní cestu genetického inţenýrství zakomponování bakterií a jiných organismů do cílových plodin. Proto je tato technologie mocným nástrojem, který není omezený genofondem hostitelské plodiny a je předmětem mnohých vědeckých debat. Nicméně transgenní postupy čelí nízkému přijetí ze strany veřejnosti, 33
a to zejména v Evropě, kde současné politické a ekonomické prostředí není vstřícné k těmto technologiím široce aplikovatelným na celou řadu plodin (Hirschi, 2009). Jednou ze zásadních obav veřejnosti je genetický tok „gene flow“ v rámci ţivotního prostředí, tj. přenos vloţených genů na necílové druhy, i kdyţ negativní dopady na ţivotní prostředí nebyly zcela prokázány (Carvalho, Vasconcelos, 2013).
34
Tab. 3: Biofortifikační cíle a harmonogram uvolnění do oběhu v jednotlivých zemích (Saltzman et al., 2013) PLODINA
Banán/plantýn
Fazol
ŢIVINA
CÍLOVÁ ZEMĚ
UVONĚNÍ NA TRH1
Provitamín A Karotenoidy
Nigerie, Pobřeţí slonoviny, Kamerun, Burundská republika, Demokratická republika Kongo
neznámo
Provitamin A Karotenoidy, Ţelezo*
Uganda
2019
Rwanda, DR Kongo Brazílie DR Kongo Nigérie Brazílie
2012 2008 2008 2011 2009
Nigérie, Keňa
2017
Indie Brazílie Rwanda, Etiopie Nepál, Bangladéš Etiopie, Indie, Sýrie Zambie Nigerie Brazílie Čína Indie Indie
2008 2008 neznámo
Brazílie
2015
Bangladéš, Indie Brazílie Filipíny, Bangladéš, Indonésie, Indie Bangladéš, Indie Čína Indie Keňa, Burkina Faso, Nigérie Uganda Mozambik Brazílie Čína Indie, Pákystán Čína Brazílie
2013 2014
Ţelezo (Zinek) Provitamin A Karotenoidy
Maniok
Provitamin A Karotenoidy, Ţelezo*
Vigna čínská
Ţelezo, Zinek
Brambory
Ţelezo
Čočka
Ţelezo, Zinek
Kukuřice
Proso Tykev
Provitamín A Karotenoidy Ţelezo (Zinek) Provitamín A Karotenoidy Ţelezo (Zinek)
Rýţe
Čirok
Provitamín A Karotenoidy * Ţelezo* Ţelezo Zinek, Ţelezo Provitamín A Karotenoidy*
Sladké brambory batáty
Provitamín A Karotenoidy
Pšenice
Zinek (Ţelezo) Zinek (Ţelezo) Zinek (Ţelezo)
() značí sekundární ţivinu *zanačí vyuţití transgeních postupů 1 rok uvolnění na trh se vztahuje k prvnímu uvedenému stát
35
2012 2012 2012 2013 2015 neznámo 2012
2013 2022 2010 2015 2018 2007 2002 2009 2010 2013 2011 2016
Tab. 4: SWOT analýza biofortifikačních strategií (Carvalho, Vasconcelos, 2013) BIOFORTIFIKAČNÍ STRATEGIE
SILNÉ STRÁNKY
SLABÉ STRÁNKY
PŘÍLEŢITOSTI
HROZBY
Úspěch je omezen na minerální látky a je závislý na více faktorech Relativně jednoduchá AGRONOMICKÁ
metoda Okamţité výsledky
Opakující se náklady Potřeba pravidelné aplikace Drahé (hnojivo)
Uţití jako doplněk k jiným
Negativní dopad na ţivotní
strategiím
prostředí Vyčerpání rezerv (př. Se)
Obtíţná distribuce Krátkodobá strategie
Úspěšné pro minerální látky KONVENČNÍ ŠLECHTĚNÍ
a vitamíny
Dlouhodobý vývoj
Široký ohlas
Jednorázové náklady
Úspěšnost je limitována dostupností
Jednoduchý právní rámec
Jednodušší distribuce
jednotlivých prvků v půdě
Rychlý rozvoj „omics“ věd
Vyţaduje genetickou variabilitu
Dlouhodobé řešení Úspěšné pro minerální látky
TRANSGENNÍ POSTUPY
a vitamíny
Dlouhodobý vývoj
Nízký ohlas (zejména Evropa)
Jednorázové náklady
Úspěšnost je omezena dostupností
Nutné komplexní regulační
Jednodušší distribuce
prvků v půdě
Dlouhodobé řešení
Interakce mezi transgeny (mohou
Dopad na ţivotní prostředí
Rychlejší proces neţ u
omezovat - limitovat postup)
(genetický tok – „gene flow“)
Rychlý rozvoj „omics“ věd
konvenčního šlechtění
36
schválení
2.3 Selen Selen je v přírodě se běţně vyskytující tuhý, červený nebo šedivý, ve vodě nerozpustný prvek chemicky i fyzikálně podobný síře (Marček et al., 2009). Jejich podobnost je zejména v atomové hmotnosti, konfiguraci elektronů ve vnějším valenčním obalu, stejné energii vazeb, ionizačním potenciálu, elektronové afinitě, elektronegativitě a polarizační schopnosti (Kopsel, Kopsel, 2007). K základním chemickým a fyzikálním charakteristikám selenu patří bod varu na úrovni 684,9 °C±1 °C, teplota tání 217,4 °C, protonové číslo 34, relativní atomová hmotnost 78,96 a elektronegativita 2,4 (Marček et al., 2009). V periodické tabulce prvků se nachází ve skupině oxidů VI. A a lze ho nalézt v 6 izotopech – 80
Se,
74
Se,
76
Se,
77
Se,
78
Se,
82
Se (Broadley, 2006). Dle Bañuelos, Schrale (1989) selen v ţivotním prostředí
můţeme nalézat ve formě elementárního selenu (Se0), selenidu (Se2-), seleničitanu (SeO32-), selenanu (SeO42-), z nichţ je selenan nejlépe rozpustnou formou a můţe být přijímán rostlinami a vyplavován skrze půdní profil (Aldea, Stroe, 2010). Ačkoliv esencialista selenu pro rostliny nebyla doposud prokázána, jedná se o esenciální prvek pro člověka, savce, řadu bakterií a některé zelené bakterie, v jejichţ tělech plní nezastupitelnou funkci. Na druhou stranu je nutné poznamenat, ţe rozdíl mezi mnoţstvím selenu, které je prospěšné, a mnoţstvím, které jiţ působí toxicky, je velice malý a tak lze říci, ţe problém nedostatku i toxicity tohoto prvku je po celém světě (Pilon-Smith, Quinn, 2010). V průmyslu lze selen vyuţívat ve fotoelektrických přístrojích, kterými jsou selenové fotoelektrické buňky, nebo jako rektifikátor v polovodičových zařízeních. V malém mnoţství ho lze uţít i ve farmaceutickém průmyslu (Greenwood, et al., 1993). Mimo to se hojně vyuţívá v xerografii (kopírování na laserových tiskárnách), odbarvování skla, jako pigment v plastech, barvách a nátěrech, smaltech, skle, keramice a inkoustu (Gowariker et al., 2009).
2.3.1 Selen v půdě Základním zdrojem selenu v půdě je zemská kůra, která obsahuje v průměru 0,05– 0,09 mg Se.kg-1 (Marček et al., 2009). Selen je všudypřítomným prvkem v ţivotním prostředí, ale jeho distribuce je velice nerovnoměrná a obsah ve většině půd světa je 37
nízký. Normální obsahy tohoto prvku v půdě jsou 0,01–2,0 mg Se.kg-1; a v průměru 0,4 mg Se.kg-1 (Zhu et al., 2009). Na druhou stranu v některých půdách se můţe vyskytovat i koncentrace nad 1 200 mg Se.kg-1 (Fordyce, 2005). Evropou vedou 2 pásy chudé na selen. Jeden směřuje od severu (státy Skandinávie) k jihu (Řecko, státy bývalé Jugoslávie, Itálie). Druhý směřuje od východu (Bělorusko) na západ (Německo a Francie). Naše republika se rozkládá na překříţení těchto pásů (Kvíčala, 2003b). Jak uvádí Poláková (2010), je rozpětí obsahu Se v půdách ČR 0,14–1,65 mg.kg-1. Průměrné naměřené hodnoty v ornici byly 0,39 mg.kg-1 a v podorničí 0,37 mg.kg-1. Dále k evropským státům s půdami chudými na tento prvek řadíme Nizozemí a Švýcarsko (Kopsel, Kopsel, 2007). Nedostatek je však i v půdách Austrálie a Nového Zélandu či některých oblastech Číny (Bitterli et al., 2010). Toxické hladiny Se v půdě (> 300 mg Se.kg-1) se v Evropě nalézají jen na několika málo místech ve Walesu a Irsku. V celosvětovém měřítku se zvýšené mnoţství Se v půdách nachází například na Islandu, pravděpodobně způsobené sopečnou činností na ostrově (Kopsel, Kopsel, 2007). Dle Bitterliho et al.(2010) se půdy s obsahem selenu nad hranicí toxicity nacházejí i v určitých částech Mexika, USA, Kolumbie, Číny či Indie. Obsah selenu ve většině půd je dán geologickým sloţením a půdy s vysokým obsahem Se jsou spojovány s konkrétními horninami a nerosty, jako je lupek, pískovec, vápenec, břidlice a řada uhlí (Broadley et al., 2006). Dle Bauera (1997) můţe selen tvořit s dalšími 16 prvky sloučeniny a vyskytuje se přirozeně ve vyvřelých horninách, sopečných loţiscích síry, loţiscích mědi. V magmatických skalních útvarech existuje jako Se2- nebo ve sloučeninách (sulfoselenidy) s mědí, stříbrem, olovem, rtutí a niklem (Kopsel, Kopsel, 2007). Selen v půdě pochází z více zdrojů, ke kterým řadíme (Kabata-Pendias, 2011; Marček et al., 2009): -
litogenický zdroj – vliv matečné horniny, kde je velká variability v obsahu Se mezi jednotlivými podloţími,
-
pedogenický zdroj – navyšování koncentrace selenu v jednotlivých horizontech půd prostřednictvím jeho fixace organickou hmotou, hydroxidyFe a Mn či jílovými minerály,
38
-
atmosférický zdroj – zahrnující depozice skrze sráţky v okolí moří a oceánů, exhalace z vulkanické činnosti, emise z průmyslové výroby, volatilizace a metylace z povrchu moře a půdy,
-
fytogenický zdroj – volatilizace prostřednictvím rostlin a půdních mikroorganismů, pálení vegetace bohaté na Se,
-
antropogenický zdroj: o zemědělství – dodávání Se do půdy prostřednictvím půdních hnojiv, foliární aplikace, ošetřování a upravování osiv, aplikace fosfátových hnojiv, o průmysl – polétavý popílek, těţba rud, odpady z některých rud a kaly.
Selen vstupuje do půdního profilu nejčastěji zvětráváním na selen bohatých hornin, kdy pod vlivem větrné či vodní eroze a sedimentačních procesů je Se distribuován a ukládán v ornici. Zde se pohybuje do doby, kdy je adsorbován jílnatými částicemi, hydroxidy ţeleza, organickou hmotou nebo přijat rostlinou (Bauer, 1997). Hlavním faktorem ovlivňujícím mobilitu tohoto prvku v půdě je pH (Combs, 2001). Převládající
anorganickou
v alkalických
a
formou
dobře
Se
okysličených
(oxidovaných) půdách (pe + pH > 15) je selenan SeO42-, u půd minerálních s dobrou infiltrací
s pH
kyselým
(7,5 < pe + pH < 15)
a
aţ
neutrálním
nedostatečným
provzdušněním se vyskytuje převáţně ve formě seleničitanu SeO32-. Selenid v půdě převládá v případě silně anaerobních půdních podmínek (Zhu et al., 2009). Přeměny selenu v půdě Obr. 1: Přeměny forem selenu v v závislosti na pH a Eh jsou znázorněny na půdě pod vlivem pH a oxidačně- obrázku 1. Příklad závislosti pH na mnoţství redukčního potenciálu Eh (Kopsel, přijatého Se uvádí Surai (2006), kdy při pH 6 bylo transportováno do listů jílku vytrvalého Kopsel, 2007) pouze 47 % selenu obsaţeného v půdě, navýšení pH na 7 zvýšilo příjem Se na 70 %. 39
Rovněţ Aldea, Stroe (2010) uvádějí závislost rozpustnosti seleničitanu a selenanu na pH a přítomnosti jednotlivých druhů minerálů. Selenan je lépe rozpustná a biologicky dostupnější forma Se pro rostliny v porovnání se seleničitanem, který je pro rostliny hůře přijatelný z důvodu silnější vazby na oxidy ţeleza, organickou hmotu a jílové sloţky půdy (Hasanuzzaman et al., 2010). Dalším faktorem působícím na obsah a mobilitu selenu v půdě je zrnitostní sloţení. V jílovitých půdách je obsah vyšší, neţ je tomu v půdách skeletovitých, kdy v jílovitých je koncentrace 0,29 mg.kg-1, u skeletovitých (písčitých) je obsah 0,17 mg.kg-1 a v půdách organických byly naměřeny obsahy 0,46 mg.kg-1. Tyto výsledky poukazují na jiţ zmíněný fakt, ţe selen můţe být navázán na organickou hmotu a jílové minerály (Hasanuzzaman et al., 2010). Důleţitým aspektem jsou i probíhající procesy v půdě, jako je sráţení (chemická sorpce), adsorpce a jiné. Pokud je v půdách vysoká koncentrace hořčíku a vápníku vznikají anorganické soli CaSeO4 a MgSeO4. Při kyselém pH se tvoří KHSe, NH4HSe a MnSe (Marček et al., 2009). Dle Polákové (2010) probíhá přeměna selenu v prostředí prostřednictvím několika mechanismů transformace, které jsou zodpovědné za imobilizaci (redukční procesy), mobilizaci (oxidační procesy) a ztráty selenu (demetylace a volatilizace). Závěrem lze říci, ţe půda (její vlastnosti) má signifikantní účinek na příjem selenu ve výţivě, zvláště pokud jsou konzumovány pouze potraviny z jednoho regionu, kde je tohoto prvku nedostatek. A tak lze říci, ţe problém s nedostatkem nemusí nastat, pokud je strava obohacena o produkty z odlišných částí světa.
2.3.1 Selen v rostlině Ačkoliv není selen esenciálním prvkem pro rostliny a neúčastní se přímo metabolických procesů důleţitých pro růst a vývoj, můţe jeho optimální obsah v rostlinách pozitivně přispívat k eliminaci škod způsobených fyziologickými stresy. V nedávné době bylo prokázáno působení selenu proti určitým stresům způsobeným prostředím, jako je obsah těţkých kovů v půdě, zaplavení (přemokření), zasolení, příliš nízké nebo vysoké teploty a sucho (Nawaz et al., 2014). Dále pozitivně působí na zvyšování
tolerance
rostlin
k UV-indukovaným
oxidačním
stresům,
oddálení
senescence a podporuje růst semenáčků a sazenic. Senescenční stres je částečně 40
inhibován zvýšenou antioxidační funkcí spojenou s nárůstem enzymatické činnosti (GPx) glutathionperoxidázy (Germ, Stibilj, 2007), které je selen součástí (Saffaryazdi et al., 2012). Toto potvrzují Tan et al. (2002) ve svém výzkumu, kde uvádí, ţe selen existuje ve vyšších rostlinách (pšenice, kukuřice, sója, réva vinná, česnek) v podobě GPx, která má zde podobné funkce jako u lidí a zvířat. Přírodním zdrojem selenu v rostlinách jsou organické formy, například selenomethionin, selenocystein nebo Semethylselenocystein (Hall et al., 2011). Nejvyšší koncentrace selenu se nacházejí v aktivně rostoucích tkáních, jako jsou listy, odnoţe, a v menší míře ho lze nalézt v kořenech (Germ et al., 2007). Příjem a akumulace selenu rostlinou závisí více na zastoupeníjednotlivých forem neţ na celkovém mnoţství tohoto prvku v půdě (Wang et al., 2012). K faktorům ovlivňujícím příjem selenu rostlinou řadíme typ půdy, klimatické podmínky, zejména nízké teploty a vysoký úhrn sráţek, který sniţuje provzdušnění půdy, coţ má za následek vznik anaerobních podmínek a přeměnu selenanu na méně dostupné formy, jako je seleničitan, organický selen nebo selenid. Všechny tyto faktory mají negativní vliv na přijatelnost selenu rostlinou (Bitterli et al., 2010). Ovlivnění příjmu selenu rostlinou vlivem teploty uvádí Kabata-Pendias (2011), kdy při teplotách 20 °C dochází k příjmu vyššího mnoţství selenu, neţ je tomu při teplotách 15 °C. Dalším faktorem ovlivňujícím příjem a akumulaci selenu v rostlinách je obsah CaCO3 v půdě, koncentrace konkurenčních iontů a v neposlední řadě také schopnost jednotlivých druhů rostlin absorbovat a metabolizovat selen (Germ et al., 2007). Rostliny mohou selen přijímat ve formě selenanu, seleničitanu nebo v organické formě, jako je SeCys a SeMet. Tyto organické formy mohou být pohotověji přijímány, neţ je tomu u anorganických forem (Zayed et al., 1998). Avšak naprosto nevhodnou formou selenu pro příjem kořeny je koloidní elementární selen a kovy selenidů (Bitterli et al., 2010). Kořeny přijímají selenan rychleji, neţ je tomu u seleničitanu, i kdyţ jsou obě formy ve stejných koncentracích. Rozdílem je způsob jejich příjmu kořeny, kdy dle Kabata-Pendias (2011) je seleničitan přijímám pasivně. Naproti tomu selenan vstupuje do kořenových buněk aktivně proti jejich elektrochemickému gradientu skrze síranové transportéry v cytoplazmatické membráně, kde během příjmu soupeří se síranem (Bitterli et al., 2010). K aktivnímu příjmu dochází i v případě organického selenu (Kabata-Pendias, 2011). 41
Selenan je po příjmu rychle translokován z kořenů do stonků, kde je pomalu zabudován do organických forem. Naproti tomu seleničitan je do organické formy přeměněn jiţ v kořenech, coţ je omezujícím faktorem pro jeho translokaci do nadzemních částí rostlin. Selen, který byl v rostlině přeměněn do organické formy, je redistribuován prostřednictvím floému a chová se zde jako analog síry (Bitterli et al., 2010). Fakt, ţe je selenan lépe vyuţitelný pro rostlinu, dokázal De Souza et al. (1998) ve svém výzkumu s hořčicí sareptskou (Brassica juncea L.), kdy se dle naměřených hodnot jeho obsahu v kořenech a stoncích nacházelo aţ 10krát více selenanu neţ seleničitanu. Selenan je přijat a transportován jako selenan, naproti tomu seleničitan je rychle metabolizován a v xylému detekován ve formě selnoaminokyseliny jiţ pár minut po aplikaci (Mayland et al., 1991). Ve schopnosti přijmu, translokace, zabudovávání a metabolismu selenu jsou mezi jednotlivými rostlinnými druhy značné rozdíly, coţ je dělí do 3 základních skupin: primární akumulátoři, sekundární akumulátoři a neakumulátoři (Çakir et al., 2012; Watson et al., 2012). -
Primární akumulátoři (hyperakumulátoři) mohou v listech a stoncích akumulovat 1 000 aţ 10 000 mg Se.kg-1 sušiny a stávat se tak nakonec toxickými pro pasená zvířata (Zhu et al., 2009). Pokud jsou tyto rostliny kultivovány v hydroponii za přítomnosti selenanu, je selen ve starších listech převáţně přítomen v anorganické formě a v mladých listech a kořenech je hlavně (z 90–95 %) v organické formě (Surai, 2006). Tato skupina je charakteristická vysokou koncentrací selenu v listech, širokým poměrem Se:S i širokým poměrem obsahu Se v kořenu ku stonku, coţ indikuje změněnou regulaci síranových a selenanových transportérů a přítomnost většího mnoţství specifických selenanových transportérů (Zhu et al., 2009). Do této skupiny řadíme zástupce rodů Astragalus, Stanleya, Xylorhiza, Machaeranthera, Oonopsis (Kabata-Pendias, 2011).
-
Sekundární
akumulátoři
jsou
rostliny,
které
akumulují
vysoké
koncentrace (více jak 1 000 Se.kg-1 sušiny), i kdyţ jsou pěstované na pozemcích se středním nebo niţším obsahem selenu. Zahrnují druhy z rodů Aster, Astragalus, Atriplex, Castilleja, Comandra, Grayia, Gutierrezia, Machaeranthera a Brassica (Terry et al., 2000; Kopsel, 42
Kopsel, 2007). Je důleţité zdůraznit, ţe rostliny z této skupiny nezabudovávají selen do struktury proteinů na rozdíl od rostlin neakumulujících, u kterých najdeme selen převáţně v bílkovinné struktuře (Surai, 2006). Avšak ne všichni zástupci vyjmenovaných rodů v případě, ţe jsou pěstovány na půdách bohatých na selen, neakumulují více jak několik mg Se.kg-1 sušiny (Terry et al., 2000). Jeden z navrhovaných mechanismů tolerance k selenu je specifická přeměna (konverze) potenciálně toxických selenoaminokyselin na neproteinové deriváty (Çakir et al., 2012). Těmito vhodnými formami jsou převáţně neproteinové aminokyseliny Se-methylSec, a konjugované formy jako γglutamyl-Se-methylSec,
ale
také
jako
selenocystathion,
selenohomocystein, γ-glutamyl-selenocystation, methylselenol a selenan (Broadley et al., 2006). -
Neakumulátoři, mezi které patří druhy rostlin akumulující méně jak 25 mg Se.kg-1 sušiny a řadí se sem převáţná část zemědělsky vyuţívaných plodin, jako například obilniny, traviny, ovoce, zelenina, a velké mnoţství plevelů (Kopsel, Kopsel, 2007). Tato skupina neakumuluje více jak 100 mg Se.kg-1 sušiny, i kdyţ jsou pěstovány na půdách bohatých na tento prvek (Terry et al., 2000).
2.3.1.1 Metabolismus selenu Selenan je transportován xylémem do chloroplastů v listech, kde je zpracováván prostřednictvím asimilačních cest síry na organické komponenty (Surai, 2006). V chloroplastech je selenan aktivován ATP sulfurylázou formující adenosin 5´fosfoselenan (APSe), coţ je jedním z kroků limitujících rychlost asimilace selenu v rostlině, jak uvádí Ellis, Salt (2003). Následně prochází adenosin 5´fosfoselenan redukcí na seleničitan působením APS reduktázy (APR), která probíhá většinou v chloroplastech, i kdyţ isoenzymy pro APS a APR se nacházejí jak v chloroplastech, tak i v cytosolu. Nyní navazuje redukce seleničitanu na selenid, která probíhá výhradně v chloroplastech, pokud je tedy zprostředkována siřičitan reduktázou v analogii s redukcí siřičitanu. Seleničitan je spojen s redukovaným glutationem (GSH) – tripeptidem obsahujícím síru do formy selenotrisulfid (GSSeSG), který je nejdříve 43
redukován na selenoglutathion (GSSeH) a následně redukován na Se2-. Selenid reaguje s O-acetylserinem (O-AS) za vzniku selenocysteinu (Kopsel, Kopsel, 2007). Posledním krokem je konverze SeCys na SeMet za pomoci 3 enzymů. Prvním je cystathion-γsynthasa, která zpárujeSeCys s O-fosfohomoserinem a vzniká Se-cystathion, který se mění do podoby Se-homocysteinu za pomoci druhého enzymu – cystathion-β-lyázy. Tyto dva zmíněné enzymy lze nalézt v chloroplastech a třetí Met-synthasa přeměňuje Se-homocystein na SeMet, coţ se odehrává v cytosolu (Pilon-Smith, Quinn, 2010). Grafické znázornění metabolismu selenu v rostlinách je uvedeno na obrázku 2.
ATP SeO42-
APSe
GSH SeO32-
Selenomethionin
NADPH GSSeSG
NADPH
GSSeH
O-AS
Se2-
Selenohomocystein
selenocystein
Selenocystathion
Obr. 2: Metabolismus selenu v rostlině (Kopsel, Kopsel, 2007)
O metabolismu seleničitanu je toho méně známo. Tato forma můţe být převládající v půdách kyselých aţ neutrálních či v takových, kde jsou značně omezeny půdní podmínky, jako je tomu na zaplavených rýţových polích. To můţe naznačovat, ţe mechanismus příjmu seleničitanu kořeny není metabolicky podmíněn (Zhu et al., 2009). Poté, co je SeO32- přijat rostlinami, probíhá první reakce, coţ je neenzymatická redukce GSH na GSSeSG, který je redukován NADPH do formy GSHSeH, následně tuto formu redukuje GSH reduktáza na GS-Se-1. GS-Se-1 reaguje s O-acetylserinem (OAS) do formy selenocysteinu (Zhang et al., 2006). Seleničitan můţe podstoupit i jiné transformace vedle asimilace do selenidu. Například můţe seleničitan, který byl dodán rostlinám, oxidovat do selenanu (Terry et al., 2000). Jelikoţ selen a síra si konkurují při příjmu prostřednictvím sirných přenašečů, dochází na půdách bohatých na síru ke sniţování příjmu selenu. Toto vysvětluje nízkou dostupnost Se pro rostliny po aplikaci vybraných hnojiv obsahujících síru (Surai, 2006).
44
Zvýšením obsahu selenu v rostlinách můţe dojít k potlačení příjmu N, P a S. Na druhou stranu zvýšení obsahu selenu v rostlině inhibuje i příjem některých kovů, jako je Cd, Mn, Zn, Cu a Fe (Kopsel, Kopsel, 2007). Nadměrné hladiny selenu v rostlinách nemají vliv pouze na ţivočichy, ale i na samotné rostliny. Klasickými projevy toxicity selenu je u rostlin inhibice růstu, chloróza, vadnutí a usychání listů, sníţení syntézy proteinů a v krajním případě úhyn rostlin. Výskyt těchto příznaků a poškození je závislý na tom, o jaký druh rostliny se jedná a do které skupiny patří. Jsou velké rozdíly v toleranci únosného mnoţství selenu mezi rostlinami primárně akumulujícími a neakumulujícími (Terry et al., 2000). Ačkoliv některé studie ukazují vliv tvrdosti vody, teploty, pH a dalších parametrů na toxicitu Se, nejvíce studovaným faktorem zůstává přítomnost síranu a jeho vliv na příjem selenu a jeho toxicitu pro vodní i suchozemské organismy (Germ, Stibilj, 2007). Hlavními toxickými formami selenu pro rostliny je seleničitan a selenan, které jsou nejsnadněji přijímány rostlinou. Hlavním faktorem fytotoxicity je zabudovávání do proteinů selenocysteinu a selenomethioninu namísto klasického cysteinu a methioninu (Marček et al., 2009).
2.3.2 Význam selenu pro člověka Jako esenciální prvek hraje selen důleţitou roli v koloběhu potravního řetězce rostlina – ţivočich – člověk, kde přímo zasahuje do metabolismu a ovlivňuje jeho správné fungování společně s ostatními esenciální prvky (Aldea, Stroe, 2010). Nutriční esencialita selenu závisí zejména na jeho funkci v selenoproteinech (Combs, 2001). Ve formě těchto sloučenin má na člověka a zvířata antioxidační, protinádorové a antivirové účinky, posiluje imunitní systém organismu a vliv má i na potlačení rakoviny a redukci kardiovaskulárních onemocnění (Bitterli et al., 2010; Lyons et al., 2005). Jako součást enzymu GPx, která chrání buněčné membrány, je nepostradatelným prvkem v ochraně lidského těla proti negativnímu působení volných radikálů. Selen také můţe chránit tělo proti toxickému působení těţkých kovů, jako je kadmium a rtuť (Bloomfield, 1992). Vysoké uplatnění nachází i v ovlivňování reprodukce u obou pohlaví. U muţů je nezbytný pro vytvoření, správný vývoj a ţivotaschopnost spermií a u ţen bylo dokázáno, ţe pokud je tělo v prvním trimestru nedostatečně zásobeno selenem, můţe 45
docházet k častějším potratům. Je předpoklad, ţe k tomuto vede nízká aktivita GPx a jako následek niţší antioxidativní ochrana buněčných membrán a DNA (Kvíčala, 2003a). Nesčetné studie demonstrovaly antirakovinové účinky selenu, při jeho doplnění se významně pojí s redukcí rakoviny plic, prostaty a rakoviny tlustého střeva a konečníku (Ellis, Salt, 2003). Další funkční jednotkou, která potřebuje dostatečný přísun selenu, je mozek, kdy při suplementaci Se došlo k omezení výskytu epileptických vln u dětské populace. Dále je důkazem i zjištění niţší koncentrace selenu u pacientů s Alzheimerovou chorobou (60 %) oproti zdravému člověku (Kvíčala, 2003b). Selen vstupuje do lidského těla v několika formách včetně selenomethioninu, který je rostlinného původu, a selenocysteinu, který primárně pochází z ţivočišných tkání (Surai, 2006). Člověkem je selen lépe přijímán z rostlinné potravy, neţ je tomu u potravy ţivočišné, tento fakt je zaloţen na odlišnostech stavby jednotlivých forem (Dastych, 2004). Organické sloučeniny, které můţeme nalézt v rostlinách, a mohou být tedy
sloţkou
potravy
pro
člověka,
jsou
SeCys,
Se-methylselenocystein,
selenohomocystin, SeMet, Se-methyl-selenomethionin a Se-allyl selenocystein (Kopsel, Kopsel, 2007). Selen přijatý z organické formy jako selenoaminokyseliny se nejprve redukuje na selenovodík, který je následně vyuţíván na syntézu selenocysteinu de novo, coţ je primární sloţkou aktivního centra selenoenzymů. Nevyuţitá část selenomethioninu přijatého potravou je nespecificky zabudována do tkáňových bílkovin, nejčastěji do tkání svalstva, kde tvoří vyuţitelnou mobilní zásobu selenu pro lidský organismus (Mosnáčková et al., 2003). K vstřebávání selenu dochází v trávicím traktu, tedy přesněji v tenkém střevě (Matouš et al., 2010), kde se ve formě organických sloučenin příjme z 80–95 %. V absorpci anorganické formy je velká variabilita v rámci jednotlivých forem (40–70%), kdy je seleničitan relativně lépe absorbován, neţ je tomu u selenanu. Elementární selen je absorbován jen výjimečně (Marček et al., 2009). Vylučování většiny části selenu (60 %) v těle dochází prostřednictvím moči (Velíšek, Hajšlová, 2009). Obsah selenu v těle dospělého člověka je v průměru 15 mg Se, který je v těle rozmístěn různorodě. Nejvíce selenu se nachází v ledvinách (0,2–1,5 mg.kg-1), v játrech 46
(0,24–0,4 mg.kg-1), vlasech (0,6–6 mg.kg-1), kostech (1–9 mg.kg-1) a ve svalech je obsah niţší (0,07–0,1 mg.kg-1). V krvi se selen nachází v koncentraci 40–350 µg.l-1 (Velíšek, Hajšlová, 2009). Doporučená denní dávka příjmu selenu pro dospělého člověka je 50 70 µg (Zhang et al., 2006). Dávky pro jednotlivé věkové kategorie jsou znázorněné v tabulce 5. Obecně lze říci, ţe vzhledem k nízkým obsahům selenu v půdě ČR je příjem tohoto prvku v naší populaci nízký. Denní příjem je odhadován na 25– 40 µg, z čehoţ lze usuzovat, ţe aţ téměř jedna třetina populace našeho státu trpí jeho mírným aţ váţným nedostatkem (Velíšek, Hajšlová, 2009).
Tab. 5: Doporučené denní dávky selenu u jednotlivých věkových kategorií (FAO/WHO, 2001)
Kojenci a děti
Adolescenti
Dospělí
Těhotné Laktace
Věková skupina 0-6 měsíců 7-12 měsíců 1-3 roky 4-6 let 7-9 let dívky 10-18 let chlapci 10-18let Ţeny 19-65 let Muţi 19-65 let Ţeny 65+ Muţi 65+ 2. trimestr 3. trimestr 0-6 měsíců po porodu 7-12 měsíců po porodu
DDD (µg.den-1) 6 10 17 22 21 26 32 26 34 25 33 28 30 35 42
Selen je součástí přibliţně 30 selenoproteinů, které lze nalézt v tělech savců. Tyto proteiny mají antioxidační funkci, přispívají ke stabilitě proteinů, transkripci mRNA a ovlivňují ostatní biochemické funkce (Broadley et al., 2006). Mezi nejvýznamnější patří dle Marčeka et al. (2009) a Kvíčaly (2003a): -
Glutationperoxidáza (GPx),
-
Jodothyronin-dejodáza (Thioredoxin reduktáza), 47
-
Selenoprotein P (SeIP),
-
Selenoprotein W (SeWI),
-
Selenofosfátsyntáza (SPS2).
2.3.2.1 Nedostatek selenu ve výživě člověka Dle odhadů téměř miliarda lidí trpí nedostatkem selenu ve výţivě, coţ se týká především subsaharské Afriky, kde byl nedostatek tohoto prvku určen jako jeden z faktorů ovlivňujících rychlé šíření HIV/AIDS (Lyons et al., 2005). Mnoho endemických onemocnění, jako je Keshan choroba (KSD), nemoc Kashin-Beck (KBD) a rakovina jater, jespojováno s nedostatečným příjmem selenu (Zhang et al., 2006). Nedostatečný příjem má za následek zvýšení rizika karcinogeneze, výskyt poruch štítné ţlázy, zvýšení rychlosti senility, výskyt depresí a rozvoj Alzheimerovy choroby a také rozvoj aterosklerózy (Matouš et al., 2010; Letavayová et al., 2006). Dalšími zdravotními komplikacemi, u kterých se absence selenu pravděpodobně podílí na jejich vzniku a rozvoji, je neplodnost, nekrózy jater a svalové dystrofie (Marček et al., 2009). Dle Mosnáčkové et al., (2003) nedostatek selenu také způsobuje nedostatečnou funkčnost imunitního systému, chronické selhání ledvin, cirhózy jater, oční zákaly, Downův syndrom, záněty slinivky a další. Keshan disease je typ srdeční nemoci pojmenované podle provincie na severovýchodě Číny, kde se nacházejí půdy s kritickým nedostatkem selenu. Předpokládá se, ţe je důsledkem nedostatečného příjmu selenu v potravě v kombinaci s virovou infekcí (Smolin, Grosvenor, 2010). Klasickým projevem onemocnění je celková únava i po menší námaze, srdeční arytmie, bušení srdce, nechutenství aj. (FAO/WHO, 2001). Kashin-Beck disease je definována jako chronická deformativní artritida (Kopsel, Kopsel, 2007). Jedná se tedy o onemocnění kostí a kloubů, které se vyskytuje u dětí ve věku 5–13 let v určitých oblastech Číny a jihovýchodní Sibiře (FAO/WHO, 2001).
48
2.3.2.2 Toxicita selenu pro člověka Selen však není pouze esenciální prvek, ale ve vyšších dávkách působí toxicky. Kopsel a Kopsel (2007) uvádějí, ţe příjem Se v mnoţství 200 µg.den-1 je bezpečný, ale příjem přesahující 700 µg.den-1 uţ můţe způsobovat otravy selenem a selenózy, které byly zjištěny pouze u populací v Číně, kde se v půdách nachází vysoká koncentrace selenu a lidé tam přijímají více jak 900µg.den-1. K nadlimitnímu příjmu selenu došlo i ve Spojených státech amerických, coţ však nebylo způsobeno vlivem prostředí, ale chybou ve výrobě výţivových doplňků, které byly produkovány s obsahem 27 mg Se.den-1 (Smolin, Grosvenor, 2010). Denní příjem selenu ve vybraných státech je uveden v tabulce 6. Toxicita u člověka se projevuje lámavostí a ztrátou vlasů, barevnými změnami na nehtech, prasklinami a lámavostí nehtů, koţními lézemi a respiračními problémy (Bailey et al., 2002; Dastych, 2004). Dalšími, jiţ závaţnějšími zdravotními problémy jsou edémy a zápaly plic, krvácivost a deprese. Při závaţnějších intoxikacích se mohou objevit i cirhózy jater. Avšak projevy akutní toxicity nejsou jediné, co můţe nadměrný příjem selenu způsobit, jak poukazuje Marček et al.(2009) ve své práci, kdy nadměrný příjem selenu můţe mít i mutagenní a teratogenní účinky. Všechny sloučeniny selenu by měly být povaţovány za potencionálně nebezpečné, zvláště těkavé sloučeniny jako je H2Se a jeho organické deriváty. Povolená koncentrace takovýchto sloučenin ve vzduchu je 0,1 mg.m-3, při srovnání s koncentrací HCN, jehoţ limit je 10 mg.m-3. Je moţné jeho usazování v ledvinách, játrech, slezině a jiţ v malé koncentraci mohou mít za následek bolesti hlavy, nevolnost, zvracení a v neposlední řadě podráţdění sliznic. Organoselenové sloučeniny jsou ve vyšší koncentraci velmi nebezpečné a z lidského těla se uvolňují jen velice pomalu (Greenwood et al., 1993). Následkem tohoto se vyskytuje nepříjemně páchnoucí pot, dech a kovová chuť v ústech, coţ je způsobeno nadměrným vylučováním dimethyldiselenidu (Velíšek, Hajšlová, 2009).
49
Tab. 6: Příjem selenu ve vybraných státech (Rayman, 2008) Stát
Příjem Se (µgSe.den-1)
Stát
Příjem Se (µgSe.den-1)
Austrálie
57-87
Německo
35
Rakousko Belgie Brazílie Česká republika Kanada Čína
48 28-61 28-37
Indie Irsko Itálie
27-48 50 43
Saudská Arábie Srbsko Slovensko Slovinsko
10-25
Japonsko
104-199
Španělsko
35
98-224 7-499
23 39-54
Švédsko Švýcarsko
31-38 70
Chorvatsko
27
20
Turecko
30-36,5
Dánsko
38-47
Egypt Francie
29 29-43
Nepál Nizozemsko Nová Guinea Nový Zéland Polsko Portugalsko
55-80 30-40 37
Stát
Velká Británie USA Venezuela
Příjem Se (µgSe.den-1) 15 30 38 30
29-39 106 200-350
2.3.3 Selen v potravinách Jak jiţ bylo zmíněno v předcházejících kapitolách, environmentální podmínky a zemědělství se velkým dílem podílejí na ovlivnění obsahu selenu v prostředí a tím i v jednotlivých potravinách (FAO/WHO, 2001). Významnými zdroji selenu v potravním řetězci jsou játra, ledviny či jiné vnitřnosti jatečních zvířat a zrniny, u kterých je však nutné zohlednit lokalitu, kde byl daný produkt pěstován (Smolin, Grosvenor, 2010). Obsah selenu v ţivočišných produktech je odrazem jeho dostupnosti v jejich výţivě, čehoţ je dosahováno potravními doplňky či injekcemi pro zlepšení zdravotního stavu zvířat (Bitterli et al., 2010). Důleţitou roli hrají také mořské plody, jako ryby, měkkýši a korýši. Biologická dostupnost selenu pro člověka je řízena formou, ve které je obsaţen. Toto potvrzuje studie FAO/WHO (2001), která uvádí, ţe přístupnost selenu obsaţeného v para ořeších či hovězích ledvinách je vysoká (90 a i více %), naopak přijatelnost selenu obsaţeného v mase tuňáka je o dost menší (20–60 %), coţ je pravděpodobně způsobeno tím, ţe se zde nachází ve formě seleničitanu. Nedostatečným zdrojem selenu je naproti tomu ovoce, zelenina a pitná voda (Smolin, Grosvenor, 2010). Avšak ve 50
skupině zeleniny dominuje jeden zástupce, kterým je česnek, u kterého jsou vyšší koncentrace v důsledku toho, ţe obsahuje sloučeninu allylisothiokyanát, jehoţ součástí je síra, která můţe být z části nahrazena selenem. Mléko a mléčné výrobky patří mezi ţivočišné produkty s jeho niţší koncentrací (Marček et al., 2009). Obsah selenu ve vybraných sloţkách potravy je uveden v tabulce 7. Obsah selenu v syrovém produktu je však pouze orientační hodnota, jak uvádí Rayman (2008) ve svém výzkumu, kdy v průběhu přípravy pokrmů dochází ke sniţování obsahu selenu. V případě hub a chřestu, ve kterých je vyšší koncentrace selenu, dochází v průběhu vaření aţ k 40% ztrátám a pokud jsou mléčné výrobky a zelenina připravovány s přídavkem soli a ingrediencí sniţujících pH, jako je ocet, dochází aţ k 50% ztrátám.
51
Tab. 7: Obsah selenu v jednotlivých potravinách ve vybraných státech (Velíšek, Hajšlová, 2009) Potravina Maso vepřové Maso hovězí Maso kuřecí Játra vepřová Ryby sladkovodní Ryby mořské
USAa) 0,04-0,24 0,06-0,27 0,10-0,12 0,64-0,70
Obsah Se v mg.kg-1 Kanada a) Finskob) Německo 0,31 0,01-0,09 0,19 0,01-0,03 0,08-0,14 0,36 0,34-0,51 0,17
ČR a SR 0,02-0,07c) 0,02 0,07-0,11 0,09-0,34
0,34-0,37
0,59
0,12-0,53
0,38
0,05-0,38
0,12-1,41
0,75-1,48
-
-
Mléko plnotučné
0,06
0,15
0,20
0,003
Tvaroh Sýry
0,09
0,07 -
0,11-0,80 0,0010,004 0,02-0,03 0,01-0,06
-
Jogurty
0,05
-
0,003
-
Vejce slepičí
0,10
0,39
-
Pšenice
0,20-0,61
0,58-1,09
0,34-0,88
-
Pšeničná mouka Rýţe loupaná Ţito Čočka Hrách Fazole Špenát Rajčata
0,18-0,52 0,2-0,38 0,36 0,02-0,13 0,012 0,005
0,28-0,64 0,61 0,06 0,001
0,02-0,16 0,0040,025 0,010-0,12 0,01-0,03 0,01 0,01 <0,002 <0,002
0,02-0,04c) 0,0040,008c) 0,018-0,24
0,10 0,018 0,007
Mrkev
0,022
0,006
<0,002
0,004
Cibule Česnek
0,014-0,26 <0,0020,055
0,07
<0,002 -
-
0,016 0,024-0,034 0,03-0,08c) 0,02 0,09 <0,001c) 0,0010,003c) 0,003 0,03-0,14
0,023
0001-0,002
0,017
0,003-0,018
Brambory Jablka
0,005
0,004
Pomeranče
0,013
0,015
a)
0,0010,003 <0,002
Vzorky pocházejí z oblastí s průměrným obsahem Se v půdě. b) Výsledky v tabulce jsou ještě před zavedením plošné biofortifikace. c) Údaje pocházejí ze Slovenské republiky.
52
0,01 0,029
0,0010,003c) -
3 CÍL PRÁCE Cílem předloţené diplomové práce bylo zhodnocení vlivu foliární aplikace selenu na rostliny slunečnice roční (Helianthus annuus L.) a jeho potenciální nárůst obsahu v naţkách této zemědělské plodiny i vhodnost samotné formy biofortifikace pro navyšování selenu v potravním řetězci. Pokus by realizován na pozemcích ŠZP MENDELU, pracoviště Lednice. Jednotlivé konkrétní cíle byly stanoveny takto: 1) vypracování literárního přehledu na zvolené téma, 2) realizace přesného maloparcelkového pokusu, 3) vyhodnocení vlivu foliární aplikace selenu na jeho obsah v semenech a výnos slunečnice.
53
4 MATERIÁL A METODIKA POKUSU 4.1 Metodika pokusu Pokus se slunečnicí roční (Helianthus annuus L.) byl zaloţen přesnou maloparcelkovou formou na pozemku ŠZP Mendelovy univerzity v Brně pracoviště Lednice (48°47'44,922" s.š., 16°47'58,585" v.d.). Dříve neţ byl pokus zaloţen, byla provedena analýza půdy, zjištění obsahu Nmin, ostatních ţivin (P, K, Ca, Mg) a půdní reakce. Výsledky analýzy jsou uvedeny v tab. 8. K pokusu byl pouţit hybrid NK Brio. Jako předplodina pro slunečnici byly na pozemku pěstovány okurky a rajčata. Tab. 8: Výsledky agrochemického zkoušení půdy před setím (před založením porostu) Půdní druh
pH výměnné
Středně těţká
6,1
zásoba
Slabě kyselá
Obsah Nmin (mg.kg-1)
Obsah jednotlivých prvků dle Melicha III (mg.kg-1) P
K
Ca
Mg
60
285
5411
339
vyhovující
dobrý
velmi vysoký
velmi vysoký
6,5
4.1.1 Charakteristika hybridu NK Brio Dvouliniový raný hybrid s normálním typem oleje, střední výškou rostlin, rajonizovaný do kukuřičné a řepařské výrobní oblasti. Výnos naţek je velmi dobrý a olejnatost můţe za příznivých podmínek převyšovat hodnoty 50 %. Plocha listů je velmi rozsáhlá, díky tomu má schopnost trvalé a intenzivní fotosyntézy. Mohutná kořenová soustava dává základ pro rychlý počáteční vývoj a vysokou toleranci k suchu - řadí se k tzv. suchovzdorným hybridům a není citlivý na extrémně rané setí. Úbor středně velký aţ velký, naţky malé široce vejčité, tmavě hnědé s šedivým prouţkováním po okrajích. Další charakteristikou přispívající ke zvyšování výnosového potenciálu je odolnost ke všem známým rasám Plasmopara halstedii a výborná tolerance vůči běţně se vyskytujícím chorobám (Phomopsis, Botrytis), tento hybrid je však náchylný k napadení sklerotiniovou hnilobou. Díky těmto svým charakteristikám je široce uplatnitelný i v ekologickém zemědělství. Udrţovatelem je společnost Syngenta Seeds S.A.S.,F (Syngenta, 2012; Povolný et al., 2014).
54
4.1.2 Agrotechnika a vedení pokusu Před zaloţením pokusu byl pozemek na podzim zorán a ponechán přes zimu, na jaře byla půda upravena smykováním a vláčením. Před vysetím slunečnice byla aplikována minerální hnojiva a to konkrétně 200 kg.ha-1 NPK (15-15-15) a 230 kg.ha-1 DAM 390. Zaloţení porostu proběhlo dne 16. 4. 2013 vysetím slunečnice do hloubky 4 cm s odstupem mezi jednotlivými semeny v řádku 20 cm a meziřádkovou vzdáleností 75 cm. Po zaloţení porostu proběhla preemergentní aplikace herbicidní ochrany v dávkách Afalon 1,4 l.ha-1 + Dual gold 1,2 l.ha-1. Po vzejití porostu bylo provedeno vyměření pokusu o rozměrech jednotlivých pokusných parcel 10x3 metry (30 m2). Fungicidní ochrana byla aplikována ve fázi 5. páru pravých listů přípravkem Bumper super (1 l.ha-1). Dalším zásahem do porostu byla foliární aplikace selenu ve formě seleničitanu sodného (Na2SeO3), která byla provedena 20. 6. 2013 (obr. 3) ve fázi R1 (pupen se formuje ze shluku listů do podoby miniaturního květenství, při pohledu na rostlinu je moţné rozeznat hvězdici tvořící se z nezralých listenů), 65 DPS (dní po setí). Jednotlivé varianty pokusu byly zaloţeny ve 4 opakováních, schéma rozdělení jednotlivých dávek selenu je znázorněno v tab. 9. Odebrání vzorků pro anorganické rozbory rostlin bylo provedeno 8 dní po foliární aplikaci (28. 6. 2013) – 73 DPS (obr. 4). Sklizeň pokusných maloparcelek byla realizována 21. 10. 2013, tedy 188 DPS, ve fázi plné zralosti (obr. 5) za pouţití speciální maloparcelkové sklízecí mlátičky (SAMPRO SR 2010). Tab. 9: Varianty hnojení v pokusu Varianta hnojení
Dávka Se
Kontrola
-
Se 1
50 g.ha-1
Se 2
100 g.ha-1
Se 3
150 g.ha-1
Se 4
200 g.ha-1
55
Obr. 3: Stav porostu v den foliární aplikace selenu (foto Petr Škarpa)
Obr. 4: Stav porostu v den odběru vzorků rostlin (foto Petr Škarpa)
56
Obr. 5: Technologická zralost (foto Petr Škarpa)
4.2 Povětrnostní podmínky stanoviště v roce 2013 Průběh povětrnostních podmínek v roce 2013 na pozemcích ŠZP Mendelovy univerzity v Brně pracoviště Lednice, je shrnut v grafu 2, kde je zřetelné, ţe tento rok byl sráţkově nadprůměrný, aţ na měsíc červenec, který byl sráţkově podprůměrný.
mm 90
srážky
srážky normál
průměrné teploty
teploty normál
°C 30
75
25
60
20
45
15
30
10
15
5
0
0
-15
-5
Graf 2: Klimadiagram povětrnostních podmínek na stanovišti Lednice v roce 2013 57
4.3 Analytické metody 4.3.1 Rozbory půdy Před zaloţením samotného pokusu byly provedeny odběry půdy (v hloubce 0-30 cm) a jejích následná analýza, jejţ výsledky jsou uvedeny v tab. 8. Hodnoty půdní reakce byly stanoveny z roztoku půdy a 0,01 M CaCl2 v poměru 1:5, obsah dusíku v půdě ve formě Nmin byl stanoven jako součet NH4+ analyzovaného dle Nesslera z výluhu půdy v 1% K2SO4 v poměru (1:5 půda, K2SO4) a NO3-, který byl analyzován iontově selektivní elektrodou podle Šenkýře a Petra (1979). Přístupné ţiviny v půdě (P, K, Ca, Mg) byly nejprve vyluhovány dle Jonese (1990) extrakčním činidlem Melich III (vzorek byl v poměru 1:10 půda a Melich III) a poté stanoveny příslušnou metodou. Stanovení K, Ca a Mg bylo provedeno metodou atomové absorpční spektrofotometrie na přístroji ContrAA 700 (Analytik Jena AG, Jena, Německo). K určení obsahu P byla vyuţita metoda kolorimetrie na přístroji UV/VIS spektrofotometr Unicam 8625 (ATI Unicam, Cambridge, UK).
4.3.2 Rozbory rostlin Jednotlivé vzorky byly připraveny na rozbory vysušením v sušárně (60°C), sušina byla
zváţena
a
poté
homogenizována.
Následně
pro
hodnocení
obsahu
makrobiogenních prvků (P, K, Mg, Ca) a Se prošly jednotlivé vzorky mineralizací na mokré cestě dle Zbírala (2005) ve směsi H2SO4 a H2O2 v uzavřeném systému s mikrovlnným ohřevem v přístroji Ethos 1 (Milestone S.r.l.,Sorisole, Itálie). Na stanovení obsahu N v rostlinném vzorku byla vyuţita Kjeldahlova metoda. Ke stanovení K, Ca, Mg a Se byla vyuţita atomová absorpční spektrofotometrie (AAS), přístroj ContrAA 700 (Analytik Jena AG, Jena, Německo). Fosfor byl stanoven kolorimetrickou metodou na přístroji UV/VIS spektrofotometr Unicam 8625 (ATI Unicam, Cambridge, UK).
58
4.4 Statistické hodnocení dat Ke statistickému zhodnocení dat byl vyuţit počítačový program STATISTICA 10. Účinek foliární aplikace selenu na zjišťované parametry (výnos naţek, obsah Se v naţkách slunečnice) byl hodnocen prostřednictvím jednofaktorové analýzy variance (ANOVA). Odchylky v rámci jednotlivých variant byly dále testovány dle Fishera (LSD testem) při hladině významnosti 95,0% (p≤0,05)
59
5 VÝSLEDKY A DISKUZE 5.1 Anorganické rozbory rostlin (ARR) Anorganické rozbory byly provedeny ze vzorků rostlin, odebraných 8 dní po foliární aplikaci selenu. Jako reprezentativní vzorek byly odebrány 2 rostliny z kaţdé varianty a opakování. Výsledky těchto rozborů jsou prezentovány v tabulkách 10 a 11. Tab. 10: ARR stonek 8 dní po aplikaci Varianta Kontrola Se 1 Se 2 Se 3 Se 4
Hmotnost 1 rostliny (g) 45,44 54,11 52,13 59,75 42,70
Mg 0,49 0,56 0,70 0,60 0,66
mg.kg-1 abs. sušiny Se 0,620 1,852 2,628 3,975 5,117
Mg 0,49 0,68 0,80 0,72 0,75
mg.kg-1 abs. sušiny Se 0,760 2,240 6,856 10,511 14,897
% abs. sušiny N 1,37 1,18 1,29 1,22 1,17
P 0,34 0,25 0,29 0,29 0,41
K 5,49 3,43 4,05 3,97 4,60
Ca 0,68 0,55 0,85 0,77 0,98
Tab. 11: ARR List 8 dní po aplikaci Varianta Kontrola Se 1 Se 2 Se 3 Se 4
Hmotnost 1 rostliny (g) 45,68 53,61 52,36 61,36 49,21
% abs. sušiny N 3,75 3,48 3,65 3,72 3,54
P 0,44 0,44 0,40 0,41 0,43
K 5,28 4,74 3,86 4,40 4,75
Ca 3,12 2,40 2,80 2,43 2,73
Z tabulek 10 a 11 je zřejmé, ţe foliární aplikace selenu vedla k nárůstu sušiny u ošetřených variant, aţ na variantu Se 4 (200 g.ha-1 ), u které v obou případech (listy i stonky) došlo k poklesu celkové hmotnosti rostlin. Na porostu ošetřeného nejvyšší dávkou selenu se projevily příznaky popálení, jak je patrné z obr. 6. Tyto výsledky korespondují s výsledky Saffaryazdiho et al. (2012), kteří provedli experiment se špenátem kultivovaným v hydroponii s přídavkem seleničitanu sodného (Na2SeO3) v koncentracích 0, 1, 2, 4, 6 a 10 mg.l-1. Při aplikaci selenu v koncentraci 1 mg.l-1došlo k nárůstu hmotnosti sušiny, avšak při vyšších dávkách se její hmotnost sníţila. K podobným výsledkům došel i Ramos et al. (2010), Ríos et al. (2010) u salátu (Lactuca sativa L.). Pokles tvorby sušiny uvádějí také Hermosillo-Cerecerese et al. 60
(2013) u fazolu obecného (Phaseolus vulgaris L.), kdy při pouţití nejvyšší dávky (160µM) ve formě seleničitanu sodného, došlo k poklesu biomasy aţ o 45,7 % oproti kontrole, ale Feng et al. (2013) ve svém článku poukazují na zvýšený růst rostlin suplementovaných niţšími dávkami selenu a fakt, ţe při vysokých dávkách můţe dojít aţ k poškození rostlin.
. Obr. 6: Ukázka poškození listu vlivem aplikace vysoké dávky selenu (foto Petr Škarpa)
Dále je z tabulek 10 a 11 patrné, ţe u rostlin slunečnice byla vyšší akumulace selenu v listech neţ je tomu u stonků, tento fakt potvrzuje Ximénez-Embún et al. (2004) v pokusu se slunečnicí roční (Helianthus annuus L.), hořčicí sareptskou (Brassica juncea L.), a lupinou bílou (Lupinus albus L.), kdy byl do ţivného roztoku přidán selen ve formě seleničinatu a selenanu sodného v dávkách 1 a 5 mg.l-1. Základním sledovaným parametrem byl obsah selenu v jednotlivých částech rostliny. U slunečnice došlo po aplikaci Na2SeO3 (1 a 5 mgSe.l-1) k nárůstu jeho mnoţství ve stoncích (15 respektive 86 mg.kg-1) a listech (11,7 respektive 186 mg.kg-1). Z uvedených výsledků je tedy patrné ţe dávky selenu v rozemzí 50 – 150 g.ha-1 působí na rostlinu stimulačně a podporují nárůst biomasy listů, jako hlavního centra probíhající fotosyntézy. Avšak 61
vyšší dávky jiţ mohou působit na rostliny negativně. Avšak při hodnocení obsahu selenu v rostlině je nutné zohlednit také odběr selenu jednou rostlinou, který je vyjádřením jeho obsahu k celkovému mnoţství vyprodukované sušiny. Z grafu 3, kde je uveden odběr selenu 1 rostlinou, je zřejmý pokles jeho odběru u varianty Se 4, který byl způsoben inhybicí produkce sušiny.
mg Se 1 0,9
0,866
0,855
Se 3
Se 4
0,8 0,7 0,6
0,494
0,5 0,4 0,3
0,221
0,2 0,1
0,063
0 Kontrola
Se 1 50
g.ha-1
Se 2 100
g.ha-1
150
g.ha-1
200 g.ha-1
Graf 3: Odběr selenu 1 rostlinou (mg) Foliární aplikace selenu ve stupňovaných dávkách měla vliv i na akumulaci a příjem makrobiogenních prvků. Z grafu 4 je viditelný nárůst odběru N rostlinami slunečnice v závislosti na stupňované dávce Se, u varianty Se 3 došlo k nárůstu oproti kontrole, aţ o 28,94 %. Odběr N u varianty Se 4 byl podobně jako u Se redukován. Tyto výsledky jsou shodné s experimentem Škarpy (2013), kdy při foliární aplikaci Se ve formě Na2SeO3 v dávkách 50 a 150 g.ha-1 došlo k nárůstu odběru dusíku o 56,28 %, respektive 50,47 %. Podobný byl i průběh odběru Mg rostlinou, který se aţ do varianty Se 3 zvyšoval, dávky 200 g.ha-1 jej redukovala. Na druhou stranu Lyons et al. (2009), ve výsledcích svého experimentu s brukví (Brassica rapa L.) uvádějí nezměněný obsah všech makrobiogenních prvků po foliární aplikaci selenem. Z grafu 4 je patrné odběr ostatních makroelementů, který byl v pokusu značně variabilní, nicméně na variantě Se 3 byl u všech nejvyšší.
62
Kontrola
g
Se 3
Se 4
1,734 1,584 1,909 1,951 1,762
3,0
2,336 2,504 2,584 3,012 2,242
5,0 4,0
Se 2
4,907 4,397 4,132 5,072 4,302
6,0
Se 1
0,355 0,371 0,361 0,425 0,387
0,446 0,668 0,784 0,800 0,651
2,0 1,0 0,0 N
P
K
Ca
Mg
Graf 4: odběr živin g-1 1 rostlinou
5.2 Výnosové výsledky pokusu V pokusu byl hodnocen vliv foliární aplikace na výnos naţek. Z tabulek 12 a 13 a pro názornost i z grafu 5, jasně vyplívá, ţe po stupňované foliární aplikaci selenu nedošlo k průkaznému (p≤0,05) zvýšení výnosu naţek slunečnice. Nejvyšší nárůst byl zaznamenán v případě varianty Se 3 (150 g.ha-1), a to jeho 3,33% zvýšení oproti kontrole, nikoli však signifikantnímu (p≤0,05), jak je uvedeno v tab. 13. Nárůst výnosu brambor (Solanum tuberosum L.) v závislosti na stoupající dávce potvrzuje Turakainen et al. (2004), u dvouřadého ječmene (Hordeum vulgare L. ssp. distichum) Rodrigo et al. (2013), v jejichţ experimentu aplikace 40 g Se.ha-1 ve formě seleničitanu vedla k zvýšení výnosu o 15,13 % oproti kontrole. Poblaciones et al. (2014) poukazují ve svém příspěvku na fakt, ţe při niţších dávkách selenu (0, 10, 20 g.ha-1) došlo k redukci výnosu pšenice tvrdé (Triticum durum Desf.), ale dávka 40 g.ha-1 vedla k jeho zvýšení. Dále je nutné upozornit na fakt, ţe u varianty Se 4 (200 g.ha-1) došlo k redukci výnosu naţek oproti variantě Se 2 a Se 3. Na pokles výnosu po aplikaci selenu poukazují Seppänen et al. (2010) v pokusu s brukví (Brassica rapa L.) a řepkou (Brassica napus susp. napus), kde foliární aplikace 30 g Se.ha-1 ve formě seleničitanu u brukve vedla k poklesu výnosu (z 3,188 na 3,009 t.ha-1), zatím co u řepky stejná dávka i forma aplikovaného selenu výnos zvýšila z 2,473 na 2,508 t.ha-1, ačkoliv neprůkazně 63
(p≤0,05). Jak je zřejmé, aplikace selenu výrazně neovlivnila výnos naţek, avšak tento parametr není při biofortifikačních strategiích tím hlavním ukazatelem úspěšnosti. Tab. 12: ANOVA – vliv foliární aplikace na výnos nažek slunečnice Stupně volnosti 1 4 34 38
Abs. Člen Aplikace Se Chyba Celkem
výnos (t/ha) SČ 345,6940 0,474 2,3051 2,3525
výnos (t/ha) PČ 345,6940 0,0118 0,0678
výnos (t/ha) výnos (t/ha) F p 5098,996 0,000000 0,175 0,949854
Tab. 13:Výnos nažek slunečnice Varianta hnojení
Výnos (t.ha-1) ± SE
Rel. %
p≤0,05(Fisherův LSD test)
Kontrola
2,938 ± 0,047
100
a
Se 1
2,959 ± 0,017
100,71
a
Se 2
3,006 ± 0,0887
102,31
a
Se 3
3,036 ± 0,0125
103,33
a
Se 4
2,968 ± 0,070
101,02
a
Pozn. Následné testování (Fisherův LSD test) V případě, jsou-li písmena u výnosu naţek stejné nedošlo ke statasticky průkaznému rozdílu mezi jednotlivými variantami při hladině významnosti p≤0,05
t.ha-1 3,06 3,036
3,04 3,02
3,006
3,00 2,98 2,96 2,94
2,968
2,959 2,938
2,92 2,90 2,88 kontrola
Se1 50
g.ha-1
Se2 100
Graf 5: výnos nažek (t.ha-1)
64
g.ha-1
Se3 150
g.ha-1
Se4 200 g.ha-1
5.3 Kvalitativní parametry Z kvalitativních parametrů byl hodnocen obsah selenu v naţkách slunečnice v závislosti na jeho stupňovaných dávkách. Obsah selenu v naţkách byl statisticky průkazně (p≤0,05) závislým parametrem na hnojení Se (r = 0,9824), jak je zřetelné z tab. 14 a grafů 6 a 7. Z uvedených je zřejmé navýšení obsahu Se vlivem stupňovaných dávek Se, konkrétně u varianty Se 1 (50g.ha-1) 15,1krát, po aplikaci 200 g Se.ha-1 aţ 86,5krát. Pokud si tento vztah vyjádříme pomocí lineární regresní rovnice (y = 0,04255x - 0,488, kde y je obsah Se v naţkách v mg.kg-1 a x je dávky Se v g.ha-1) lze konstatovat, ţe při dodání 1 g selenu se zvýší jeho obsah v naţkách o 0,042 mg.kg-1. Ke stejným závěrům dospěli Mao et al. (2014), ve svém příspěvku, kde uvádí, ţe foliární aplikace selenu ve formě seleničitanu sodného v dávkách 0–60 g Se.ha-1 zvyšovala obsah selenu v obilkách pšenice (Triticum aestivum L.) v lineární závislosti na mnoţství aplikovaného selenu. Lineární závislost uvádí i Fernandes et al. (2014) u pokusů s rýţí (Oryza sativa L.) a ředkvičkou (Raphanus sativus L.), kdy docházelo k signifikantnímu (p≤0.01) navyšování obsahu selenu v jedlých částech v závislosti na jeho aplikovaném mnoţství. Ke stejným závěrům došli i Poblaciones et al.(2014) u tvrdé pšenice (Triticum durum Desf.). Dalším příkladem můţe být i pokus Hermosillo-Cerecerese et al. (2013) s fazolem obecným (Phaseolus vulgaris L.). Tab. 14: ANOVA - obsah selenu v nažkách slunečnice Stupně volnosti Abs. člen Aplikace Se Chyba Celkem
1 4 10 14
obsah Se v naţkách (mg/kg) SČ 212,8016 140,5211 0,1933 140,7144
obsah Se v naţkách (mg/kg) PČ 212,8016 35,1303 0,0193
65
obsah Se v naţkách (mg/kg) F 11007,55 1817,18
obsah Se v naţkách (mg/kg) p 0,000000 0,000000
mg.kg-1
e 8,475
9,0 8,0
d
7,0
6,005
6,0 5,0
c
4,0 3,0
b
2,0
a
1,482
1,0
0,098
2,773
0,0 kontrola
Se 1 50 g.ha-1
Se 2 100 g.ha-1
Se 3 150 g.ha-1
Se 4 200 g.ha-1
Pozn. Následné testování (Fisherův LSD test) V případě, jsou-li písmena u obsahu Se v naţkách stejné, nedošlo ke statasticky průkaznému rozdílu mezi jednotlivými variantami při hladině významnosti p≤0,05.
Graf 6: Obsah selenu v nažkách
Graf 7: Korelace mezi stupňovanými dávkami a obsahem Se v nažkách
66
6 ZÁVĚR Z jedoletého maloparcelkového pokusu je patrné, ţe mimokořenová aplikace Se (seleničitanu) v dávkách 50 – 150 g.ha-1 zvyšuje produkci sušiny rostlin slunečnice a následně i jeho odběr porostem. Tyto dávky rovněţ stimulují příjem dusíku a hořčíku. Dávka 200 g Se.ha-1 působila na produkci biomasy inhibičně. Stupňovaná výţiva Se neměla signifikantní vliv na výnos naţek. Nejvýraznější navýšení produkce semen bylo zjištěno po aplikaci 150 g Se.ha-1, které představovalo 3,3 % v provnání s kontrolní variantou. Obsah Se v naţkách byl statisticky průkazně ovlivněn jeho stupňovaným přihnojením. Jeho mnoţství se v naţkách slunenčice zvyšovalo o 0,042 mg.kg-1 po přidání 1 g Se formou mimokořenové aplikace Se. I kdyţ aplikace selenu neovlivnila průkazně výnos naţek, lze konstatovat, ţe biofortifikace selenem byla u slunenčice velice úspěšná, zejména u navyšování obsahu tohoto prvku v konečném produktu a můţe tak představovat slibnou cestu pro eliminaci nedostatku selenu, jako esenciálního prvku v lidské výţivě. Ačkoliv jsou prezentované závěry výsledkem jednoletého experimentu a je nutné jejich relevanci ověřit dalším výzkumem, s ohledem na dosavadní znalosti vyplývající z dostupné literatury a výsledků experimetnu lze doporučit aplikaci Se ke slunečnici v dávce 150 g.ha-1 ve fázi R1.
67
7 POUŢITÉ ZDROJE ALDEA, M. M., STROE,V. M. (2010): Selenium in wheat plant and soil form southeastern part of Romania. Scientific Papers, UASVM Bucharest, Serie A, 53: 79-84. ASPILA P., (2005): History of selenium supplemented fertilization in Finland. s. 8-13. In: Eurola M. (ed), Proceedings Twenty years of selenium fertilization, MTT Agrifood research Finland, Helsinki: s. 110. BAILEY, R. A., CLARK, H. M., FERRIS, J. P., KRAUSE, S., STRONG, R. L. (2002): Chemistry of the environment. 2nd ed. San Diego: Academic Press, xxi, 835 s. BAÑUELOS, G., SCHRALE, G. (1989): Plants that remove selenium from soils. California agriculture, 43: 19-20. BAUER, F. (1997): Selenium and Soil in the Western United States. Electronic Green Journal, 1(7). [online]. [cit. 2015-03-12]. Dostupné z:
. BITTERLI, C., BAÑUELOS, G. S., SCHULIN, R. (2010): Use transfer factors to characterize uptake of selenium by plants. Journal of Geochemical Exploration, 107: 206-216. BLOOMFIELD, M. M. (1992): Chemistry and the Living Organism. 5th ed. New York: John Wiley & Sons, 24,749,9 s. BOUIS, H. E., WELCH R. M. (2010): Biofortification - A Sustainable Agricultural Strategy for Reducing Micronutrient Malnutrition in Global South. Crop Science, 50: 20-32. BOUIS, H., ISLAM, Y. (2011): Biofortifcation: Leveraging Agriculture to Reduce Hidden Hunger. Leveraging Agriculture for Improving Nutrition and Health: 1-4. BOUIS, H., LOW, J., MCEVAN, M., TANUMIHARDJO, S. (2013): Biofortification: Evidence and lessons learned linking agriculture and nutrition. FAO/WHO [online]. [cit. 2015-03-12]. Dostupné z: BROADLEY, M. R., WHITE, P. J., BRYSON, R. J., MEACHAM, M. C., BOWEN, H. C., JOHNSON, S. E., HAWKESFORD, M. J., MCGRATH, S. P., ZHAO, F. J., BREWARD, N., HARRIMAN, M., TUCKER, M. (2006): Biofortification of UK Food Crops with Selenium. Proceedings of the nutrition society, 65(2): 169-181.
68
ÇAKIR, Ö., TURGUT-KARA,N., ARI,Ş, (2012): Selenium Metabolism in plants: Molecular Approaches, s. 209-232. In: Montanaro, G. (ed.): Advances in Selected Plant Physiology Aspects, InTech. [online]. [cit. 2015-02-08]. Dostupné z: CAKMAK, I. (2010): Biofortification of cereals with zinc and iron throught fertilization strategy. 19thWorld Congress of Soil science, Soil Solutions for a Changing World. 1.-6. August 2010, Brisbane, Australia. [online]. [cit. 2015-01-15]. Dostupné z: CAKMAK,I. (2014): Agronomic biofortification. The 2nd Global Conference of Biofortification: Getting Nutritious Foods to People, 31. 3. – 2. 4. 2014, Kigali, Rwanda. [online]. [cit. 2015-02-05]. Dostupné z: CARTES, P., GIANFREDA, L., PAREDES, C., MORA, M. L. (2011): Selenium uptake and its antioxidant role in ryegrass cultivars as affected by selenite seed pelletization. Journal of Science and Plant Nutrition, 11(4): 1-14. CARVALHO, S. M. P., VASCONCELOS, M. W. (2013): Producing more with less: Strategies andnovel technologies for plant-based food biofortification. Food Research International:1-11. CERKAL, R., KAMLER, J., ŠKARPA, P., POKORNÝ, R., MAREČEK, V., FAJMAN, M., MUŠKA, F. (2011): Methods of cultivation and important factors affecting the yield and quality of sunflower. s. 47-98. In: HUGHES, V. C.: Sunflowers: Cultivation, Nutrition and Biodiesel Uses. 1. vyd. New York: Nova Science Publishers: s. 332. COMBS, G. F., JR.(2001): Selenium in global food systems. British Journal of Nutrition, 85(5): 517-547. ČERNÝ, I., BACSOVÁ, Z., VEVERKOVÁ, A. (2010): Hodnotenie vplyvu foliárnej aplikácie prípravkov na formovanie produkčných parametrov hybridov slnečnice ročnej. s. 2228. In: Mladí vedci 2010. Zborník vedeckých prác doktorandov, mladých vedeckých a pedagogických pracovníkov. 1. vyd.. Nitra. ČERNÝ, I., VEVERKOVÁ, M., KOVÁR, M., PAČUTA, V., MOLNÁROVÁ, J. (2011): Influence of temperature and moisture conditions of locality on the yield formation of sunflower (Helianthus annuus L.). Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 59(6): 99-104 DASTYCH, M. (2004): Selen - esenciální stopový prvek. Labor Aktuell., 3/4 : 29-31.
69
DE SOUZA, M P., PILON-SMITS, E. A. H., LYTLE, M., HWANG, S., TAI, J., HONMA, T. S. U., YEH, L., TERRY, N. (1998): Rate-Limiting Steps .n Selenium Assimilation and Volatilization by Indian Mustard. Plant Physiology, 117: 1487-1494. EKHOLM, P., EUROLA, M., VENÄLÄINEN (2005): Selenium content of food and diets in Finland. s. 39-45 In: EUROLA M. (ed), Proceedings Twenty years of selenium fertilization. MTT Agrifood research Finland. Helsinki, 110 s. ELLIS, D. R., SALT, D. E. (2003): Plants, selenium and human health. Current Opinion in Plant Biology, 6: 273-279. FAO/WHO (2001): Selenium. s. 235-255 In: FAO/WHO. Human Vitamin and Mineral Requirements, Report of a joint FAO/WHO expert consultation Bankok, Thailand. [online] [cit. 2015-03-11]. Dostupné z:< http://www.fao.org/3/a-y2809e.pdf > FECENKO, J., LOŢEK, O. (2000): Výživa a hnojenie pol'ných plodín. Nitra: Slovenská polnohospodářská univerzita v Nitre: 315-316. FENG, R., WEI, C., TU, S. (2013): The roles of selenium in protecting plants against abiotic stresses. Environmental and Experimental Botany, 87: 58-68. FERNANDES, K. F. M., BERTON, R. S., COSCIONE, A. R. (2014): Selenium biofortification of rice and radish: effect of soil texture and efficiency of two extractans. Plant Soil Environment, 60(3): 105-110. FORDYCE, F. (2005): Selenium deficiency and toxicity in the environment. In Selinus, O. et al., (eds), Essentials of Medical Geology: 373-415. GERM, M., STIBILJ, V. (2007): Selenium and plants. Acta Agriculturae Slovenica, 89(1): 65-71. GERM, M., STIBILJ, V., KREFT, I. (2007): Metabolic Importance of Selenium for Plants. The European Journal of Plant Science and Biotechnology, 1(1): 91-97. GIBSON, R. S. (2011): Strategies for Preventing Multi-micronutrient Deficiencies: a Review of Experiences with Food-based Aprroaches in Developing Countries, s. 727. In: Thompson, B., Amoroso, L., (eds.):Combating Micronutrient Deficiencies: Food-based Approaches. Rome, CAB International and FAO. 400 s. GOWARIKER, V., KRISHNAMURTHY, V. N., GOWARIKER, S., DHANORKAR, M., PARANJAPE, K., BORLAUG, N. (2009): The fertilizer encyclopedia. John Wiley & Sons, Inc., 880 s. GREENWOOD, N, EARNSHAW, A., JURSÍK, F. (1993): Chemie prvků. Vyd. 1. Praha: Informatorium, 2 sv.
70
HALL, J. A., HARWELL, A. M., VAN SAUN R. J., VORACHEK, W. R., STEWART, W. C., GALBRAITH, M. L., HOOPER, K. J., HUNTER, J. K., MOSHER, W. D., PIRELLI, G. J. (2011):Agronomic biofortification with selenium: Effects on whole blood selenium and humoral imunity in beef cattle. Animal Feed Science and Technology, 164: 184190. HARVESTPLUS, (2015): About HarvestPlus [online] [cit. 2015-02-09]. Dostupné z: HASANUZZAMAN, M., HOSSAIN, M.A., FUJITA, M. (2010): Selenium in Higher Plants: Physological Role, Antioxidant Metabolism and Abiotic Stress Tolerance. Journal of Plant Science, 5(4): 354-375. HAUG, A., GRAHAM, D., CHRISTOPHERSEN O. A., LYONS G. H. (2007): How to use world's scarce selenium resources efficiently to increase the selenium concentration in food. Microbial Ecology in Health and Disease, 19: 209-228 HERMOSILLO-CERECERES, M. A., SÁNCHEZ-CHÁVEZ, E., GUEVARA-AGUILAR, A., MUÑOZ-MÁRKEZ, E., GARCÍA-BAÑUELOS, M., L. (2013): Biofortification and distribution patterns of selenium in bean: Response to selenate and selenite. Journal of Food, Agriculture & Environment, 11(2): 421-426. HIRSCHI, K. D. (2008): Nutritional improvements in plants. Time to bite on biofortified foods. Trends in Plant Science, 13(9): 459-463. HIRSCHI, K. D. (2009): Nutrient Biofortification of Crops. Annual Review of Nutrition, 29: 401-421. CHILIMBA,A. D. C., YOUNG, S. D., BLACK, C. R., MEACHAM, M. C., LAMMEL, J., BROALEY, M. R. (2012): Agronomic biofortification of maize with selenium (Se) in Malwwi. Field Crops Research, 125: 118-128. IMITIAZ, M., RASHID, A., KHAN, P., MEMON, M. Y., ASLAM, M. (2010): The role of mocronutrients in crop producton and human health. Pakistan Journal of Botany. 42(4). 2565-2578. JONES, J. B. (1990): Universal soil ectractants-their composition and use. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 21: 1091-1101KABATA-PENDIAS, A. (2011): Trace elements in soils and plants. 4th ed. Boca Raton: CRC Press, xxviii, 520 s. KOLOVRAT, O., BARANYK, P., BJELKOVÁ, M., DOSTÁLOVÁ, J., KOPRNA, R., PRUGAR, J., ZUKALOVÁ, H. (2008): Slunečnice. S. 179-182. In PRUGAR, J., et al. Kvalita rostlinných produktů na prahu 3. tisíciletí. Praha: Výzkumný ústav pivovarský a sladařský ve spolupráci s Komisí jakosti rostlinných produktů ČAZV. 327s. 71
KOPSEL, D. A., KOPSEL, D. E. (2007): Selenium. S. 515-549. In BARKER, A. V., PILBEAM, D. J. Handbook of plant nutrition. Boca Raton, FL: CRC/Taylor & Francis, 613s. KOVAČIK, A (2000): Slunečnice. Praha: Agrospoj. 108s. KOVÁČIK, A. (2005): Pěstitelské technologie pro vysoké výnosy Slunečnice. In: VRKOČ, F., VACH, M. ŘEPKA, MÁK, SLUNEČNICE a HOŘČICE. Praha: ČZU v Praze: 131136. KOVÁČIK, P., GALLIKOVÁ, M. (2012): Výživa a hnojenie slnečnice ročnej. SPU Nitra, Nitra, 78 s. KVÍČALA, J. (2003a): Zvýšení příjmu mikronutrientu selenu-utopie, fikce, prozřetelnost či nutnost? - I. část. Interní medicína pro praxi, 6: 295-300. KVÍČALA, J. (2003b): Zvýšení příjmu mikronutrientu selenu-utopie, fikce, prozřetelnost či nutnost? - II. část. Interní medicína pro praxi, 7: 354-359. LETAVAYOVÁ, L., VLČKOVÁ, V., BROZMANOVÁ, J. (2006): Selenium: From cancer prevention to DNA damage. Toxicology, 227: 1-14. LEYVA-GUERRERO, E., NARAYANAN,N. N., IHEMERE, U., SAYRE, R. (2012): Iron and protein biofortification of cassava:lessons learned. Current Opinion in Biotechnology, 23: 257-264. LYONS, G. H., GENC, Y., SOOLE, K., STANGOULIS, J. C. R., LIU, F., GRAHAM, R. D. (2009): Selenium increases seed production in Brassica. Plant and Soil, 318(1-2): 73-80. LYONS, G. H., JUDSON, G. J., ORTIZ-MONASTERIO, I., GENC, Y., STANGOULIS, J. C. R., GRAHAM, R. D. (2005): Selenum in Australia: Selenium status and bofortification of wheat for better health. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, 19: 7582. LYONS, G. H., LEWIS, J., LORIMER, M. F., HOLLOWAY, R. E., BRACED, M., STANGOULIS J. C. R., GRAHAM, R. D. (2004): High-selenium wheat:Agronomic biofortification strategies to improve human nutrition. Food,Agriculture& Environment, 2(1): 171178. MÁLEK, B. (2005): Metodika pěstování slunečnice. Praha: Svaz pěstitelů a zpracovatelů olejnin,65s. MÁLEK, B., ANDR, J., JURSÍK, M. ŠKARPA, P., ŘÍHA, K., KAZDA, J., RICHTER, R. (2013): Slunečnice - technologie pěstování. Kurent, s.r.o., České Budějovice, 125s.
72
MÁLEK, B., BARANYK, P., ZELENÝ, V., MARKYTÁN, P. (2010): Slunečnice. s. 113-127. In Baranyk, P. et al., Olejniny. Praha: Profi Press, 206s. MAO, H., WANG, J., WANG, Z., ZAN, Y., LYONS, G., ZOU, C. (2014): Using agronomic biofortification to boost zinc, selenium, and iodine concentration of food crops grown on the loess plateau in China. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 14(2): 459-470. MARČEK, M., LOŢEK, O., DUCSAY, L. (2009): Optimalizácia dávky a formy zlúčenín selénu při hnojení obilnín. SPU Nitra, 107s. MATOUŠ, B ET AL. (2010): Základy lékařské chemie a biochemie. 1. vyd. Praha: Galén, xv, 540 s. MAYER, J. E., PFEIFFER, W. H., BEYER, P. (2008): Biofortified crops to alleviate micronutrient malnutrition. Plant Biology, 11: 166 – 170. MAYLAND, H. F., L. P. GOUGH, STEWART K. C. (1991): Selenium mobility in soils and its absorption, translocation, and metabolism in plants, p. 55-64. In: SEVERSON, R.C., FISHER S.E. JR., GOUGH, L. P. (eds.), Selenium in arid and semiarid environments, Western United States. U.S. Geological Survey Circle. 1064s. MCMAHON, M, KOFRANEK, A. M., RUBATZKY. V. E. (2011): Plant science:growth, development, and utilization of cultivated plants. 5th ed. Boston: Prentice Hall, 674s. MEENAKSHI, J. V., JOHNSON, N., MANYONG, V.M., DE GROOTE, H., JAVELOSA, J., YANGGEN, D., NAHER, F., GONZALES, C., GARCIA, J., MENG, E. (2007): How costeffective is biofortification in combating micronutrient malnutrition? An ex-ante assessment. HarvestPlus Working Paper, 2: 34. MICHALÍK, I. (2005): Základné aspekty výţivy rastlín mikroelementmi. Agrochémia, 9(4): 12–15. MOSNÁČKOVÁ, J., KOVÁČIKOVÁ, E., PASTOROVÁ, J., KOŠICKÁ, M., VOJTAŠŠÁKOVÁ, A., HOLČÍKOVÁ, K., SIMONOVÁ, E. (2003): Selén v potravinách Selén v potravinách. 1. vyd. Bratislava: Výskumný Ústav Potravinársky [online]. [cit. 2015-03-21]. Dostupné z: . MOUDRÝ, J. Slunečnice (Heliantus anuus). [online]. [cit. 2015-01-17]. Dostupné z: . NAWAZ, F., ASHRAF, M. Y., AHMED, R., WARAICH, E. A., SHABBIR, R. N. (2014): Selenium (Se) Regulates Seedling Growth in Wheat under Drought Stress. Advances in Chemistry.1-7.
73
NESTEL P., BOUIS H. E., MEENAKSHI J. V., PFEIFFER W. (2006): Biofortification of Staple Food Crops. The Journal of Nutrient, 2006, 136: 1064-1067. OUTZEN, M., TJØNNELAND, A., LARSEN, E. H., ANDERSON, K. K., CHRISTENSEN, J., OVERVAD, K., OLSEN, A. (2015): The Effect on selenium Concentrations of a Randomized Intervention with Fish and Mussels in a Population with Relatively Low Habitual Dietary Selenium Intake. Nutrients, 7: 608-624. PAČUTA, V., POSPÍŠIL, R. (2001) Základy rastlinnej výroby. Nitra: Ústav vedeckotechnických informácií pre pôdohospodárstvo. 110 s. PEARSON, C. H., CORNISH, K., MCMAHAN C. M., RATH, D. J., BRICHTA, J. L., VAN FLEET, J. E. (2010): Agronomic and natural ruber charakteristics of sunflower as a ruber-producing plant. Industrial Crops and Product, 31: 481-491. PILON-SMITS E., QUINN C. F. (2010): Selenium metabolism in plants. Cell Biology of Metals and Nutrients, 17: 225-241. POBLACIONES, M. J., RODRIGO, S., SANTAMARÍA, O., CHEN, Y., MCGRATH, S. P. (2014): Agronomic selenium biofortification in Triticum durum under Mediterranean conditions. From grain to cooked pasta. Food Chemistry, 146: 378-384. POLÁKOVÁ Š. (2010): Obsah selenu (Se) v zemědělských půdách ČR. Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský v Brně. Brno, 15 s. POVOLNÝ, M., HAMPL, B., ŘÍHA, K. (2014): Přehled odrůd slunečnice. Brno:Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský Brno, Národní odrůdový úřad, 42 s. QAHAR, A., KHAN, Z. H., ANWAR, S., BADSHAH, H., ULLAH, H. (2010): Nitrogen use efficiency, yield and other characteristics of sunflower (Helianthus annuus L.) hybrids as affected by different levels of nitrogen. Biological Diversity and Conservation, 3(3): 121-125. RAMOS, S. J., FAQUIN, V., GUILHERME, L. R. G., CASTRO, E. M., ÁVILA, F. W., CARVALHO, G. S., BASTOS, C. E. A., OLIVEIRA, C. (2010): Selenium biofortification and antioxidant activity in lettuca plants fed with selenate and selenite. Plant, Soil and Environment, 56 (12): 584-588. RAYMAN, P. R. (2008): Food-chain selenium and human health: emphasis on intake. British Journal of Nutrition, 100(2): 254-268. RICHTER, R. (2004): Slunečnice In: Ryant, P., Richter, R., Poulík, Z., Hřivna, L. Multimediální učební texty z výţivy a hnojení polních plodin. [online] [cit. 2015-0201]. Dostupné z: . 74
RICHTER, R., HŘIVNA, L. (2002): Výţiva a hnojení slunečnice. Úroda [online]. [cit. 2015-02-20]. Dostupné z: . RÍOS, J. J., BLASCO, B., CERVILLA, L. M., RUBIO.WEILHELMI, M. M., ROSALES, M. A., SANCHEZ-RODRIGUEZ, E., ROMERO, L., RUIZ, J. M. (2010): Nitorgen-Use Efficiency in Relation to Different Forms and Application Rates of Se in Lettuce Plants. Journal Plant Growth Regulation, 29: 164 – 170. RODRIGO, S., SANTAMARÍA O., LÓPEZ-BELLINDO, F. J., POBLACIONES, M. J. (2013): Agronomic selenium biofortification of two-rowed barley under Mediterranean conditions. Plant Soil Environment, 59(3): 115-120. SAFFARYAZDI, A., LAHOUTI, M., GANJEALI, A., BAYAT, H. (2012): Impact of Selenium Supplementation on Growth and Selenium Accumulation on Spinach (Spinacia oleracea L.). Plants. Notuale Scientia Biologicae, 4(4), 95-100. SALMINEN, P. (2005): Increasing the selenium content of agricultural crops: decisions and monitoring. Pp: 14-15 In: EUROLA M. (ed), Proceedings Twenty years of selenium fertilization. MTT Agrifood research Finland. Helsinki, 110 s. SALTZMAN, A., BIROL, E., BOUIS, H.E., BOY, E., DEMOURA, F.F., ISLAM, Y., PFEIFFER, W. H. (2013): Biofortiification: Progress toward a more nourishing future. Global Food Security: 1-9. SEPPÄNEN, M. M., KONTTURI, J., HERAS, I. L., MADRID, Y., CÁMARA, C., HARTIKAINEN, H. (2010): Agronomic biofortification of Brassica with selenium-enrichment of SeMet and its identification in Brassica seeds and meal. Plant Soil, 337: 273-283. SCHNEITER, A. A. MILLER, J. F. (1981): Description of sunflower growth – stages. Crop Science, 21(6): 901-903. SLAVÍK, B., ŠTĚPÁNKOVÁ J. (eds), (2004): Květena České republiky 7. 1. vyd. Praha: Academia, 324-325. SMOLIN, L. A., GROSVENOR, M. B. (2010): Nutrition: science and applications. 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley, 936 s. SURAI, P. F.(2006): Selenium in nutrition and health. Nottingham, U. K.: Nottingham University Press, xxi, 974 s. SYNGENTA (2012): Slunečnice, Plodinový katalog 2012. [online] [cit. 2015-04-03]. Dostupné z: . ŠENKÝŘ, J., PETR, J. (1979): Dusičnanová iontově selektivní elektroda. Chemické listy, 73: 1097-1102. 75
ŠKARPA, P. (2013): Fortification of sunflower plants (Helianthus annuus L.). Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Science, 2: 1569-1579. ŠROLLER, J. (1997):Speciální fytotechnika: Rostlinná výroba. Praha: CZU, 205 s. TAN, J., ZHU, W., WANG, W., LI, R., HOU, S., WANG, D., YANG, L. (2002): Selenium in soil and endemic diseases in China. The Science of Total Environment, 284(1-3): 227-235. TERRY, N., ZAYED, A. M., DE SOUZA, M. P., TARUN, A. S. (2000): Selenium in higher plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 51: 401432. THOMPSON, B. (2011):Nutrition and Biofortification. In: FAO.org [online]. [cit. 201502-15]. Dostupné z: . TUMUHIMBISE, G. A., NAMUTEBI, A., TURYASHEMERERWA, F., MUYONGA, J. (2013): Provitamn A Crops: Acceptabilty,Bioavailability, Efficacy and Effectiveness. Food Nutrition Sciences, 4, 430-435. TURAKAINEN, M., HARTKAINEN, H., SEPPÄNEN, M. M. (2004): Effect of selenium treatments on potato (Solanum tuberosum) growth and concentration of soluble sugars and starch. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 52(17): 5378-5382. VANĚK, V., BALÍK, J., PAVLÍKOVÁ, D., TLUSTOŠ, P. (2007): Výţiva polních a zahradních plodin, Profi Press, Praha, 176 s. VELÍŠEK, J. HAJŠLOVÁ, J. (2009): Chemie potravin 1. Rozš. a přeprac. 3. vyd. Tábor: OSSIS, xxii, 580 s. WANG, S., LIANG, D., WANG, D., WEI, W., FU, D., LIN, Z. (2012): Selenium fractionation and speciation in agriculture soils and accumulation in porn (Zea mays L.) under field conditions in Shaanxi Province, China. Science of the Total Environment, 427-428: 159-164. WATSON, C. A., ÖBORN, I., EDWARDS, A. C., DAHLIN, A. S., ERIKSSON, J., LINDSTRÖM, B. E. M., LINSE, L., OWENS, K., TOPP, C. F. E., WALKER, R. I. (2012): Using soil and plant properties and farm management practices to improve the micronutrient composition of food and feed. Journal of Geochemical Exploration, 121: 15-24. WHITE, P. J., BROADLEY, M. R. (2005): Biofortifying crops with essential mineral elements. TRENDS in Plant Science, 10(12): 586-593. WHO (2014): Bifortification of staple crop. WHO, e-Library of Evidence for Nutrition Actions (eLENA). [online]. [cit. 2015-01-13]. Dostupné z 76
WINKLER, J. T. (2011): Biofortification: improving the nutritional quality of stample crops. Access Not Excess ed Charles Pasternak, Chapter 10. Smith-Gordon: 100112. [online] [cit. 2015-02-15]. Dostupné z: XIMÉNEZ-EMBÚN, P., ALONSO, I., MADRID-ALBARRÁN, Y., CÁMARA, C. (2004): Establishment of selenium uptake and species distribution in lupine, indian mustard, and sunflower plants. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 52: 832-838. ZAYED A., LYTLE C. M., TERRY N., (1998): Accumulation and volatilization of different chemical species of selenium by plants. Planta, 206(2): 284-292. ZBÍRAL J., (2005): Analýza rostlinného materiálu: jednotlivé pracovní postupy. UKZÚZ, Brno, 192 s. ZHANG, L., SHI, W., WANG, X. (2006): Difference in selenite absorption between highand low-selenium rice cultivars and its mechanism. Plant and Soil, 282(1-2):183193. ZHAO, F.-J., MCGRATH S. P. (2009): Biofortification and phytoremediation. Plant Biology, 12: 373-380. ZHAO, CH., REN, J., XUE, CH., LIN, E. (2005): Study on the relationship between soil selenium and plant selenium uptake. Plant and Soil, 277: 197-206. ZHU, CH., NAQVI, S., GOMEZ-GALERA, S., PELACHO, A. M., CAPELL, T., CHRISTOU, P. (2007): Transgenic strategies for nutritional enhancement of plant. Trends in Plant Science, 12(12): 548-555. ZHU, Y.-G., PILON-SMITS, E. A. H., ZHAO, F.-J., WILLIAMS, P. N., MEHARG, A. A. (2009): Selenium in higher plants: understanding mechanism for biofortification and phytoremediantion. TRENDS in Plant Science, 14(8): 436-442. ZUBAL, P. (1998): Pestovanie olejnín .Piešťany: VÚRV, 70s. ZUKALOVÁ, H, P. ŠKARPA, KUNZOVÁ, E. (2009): Slunečnice – Druhá nejvýznamnější olejnina v ČR. s. 104-107. In: Švachula, V., Vach, M., Bečka, D. Prosperující olejniny 2009. Praha: ČZU v Praze. 185 s.
77
8 SEZNAM GRAFŮ Graf 1: Procentuální zastoupení odběru živin v průběhu vegetace (Kováčik, Galliková, 2012) ............................................................................................................................... 19 Graf 2: Klimadiagram povětrnostních podmínek na stanovišti Lednice v roce 2013 .... 57 Graf 3: Odběr selenu 1 rostlinou (mg) .......................................................................... 62 Graf 4: odběr živin g-1 1 rostlinou.................................................................................. 63 Graf 5: výnos nažek (t.ha-1) ............................................................................................ 64 Graf 6: Obsah selenu v nažkách .................................................................................... 66 Graf 7: Korelace mezi stupňovanými dávkami a obsahem Se v nažkách ...................... 66
9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Přeměny forem selenu v půdě pod vlivem pH a oxidačně-redukčního potenciálu Eh (Kopsel, Kopsel, 2007) .............................................................................................. 39 Obr. 2: Metabolismus selenu v rostlině (Kopsel, Kopsel, 2007) ................................... 44 Obr. 3: Stav porostu v den foliární aplikace selenu (foto Petr Škarpa) ........................ 56 Obr. 4: Stav porostu v den odběru vzorků rostlin (foto Petr Škarpa) ............................ 56 Obr. 5: Technologická zralost (foto Petr Škarpa) ......................................................... 57 Obr. 6: Ukázka poškození listu vlivem aplikace vysoké dávky selenu (foto Petr Škarpa) ........................................................................................................................................ 61
10 SEZNAM TABULEK Tab. 1: Význam jednotlivých makroelementů ve výživě slunečnice ............................... 20 Tab. 2: Význam jednotlivých mikroelementů ve výživě slunečnice ................................ 22 Tab. 3: Biofortifikační cíle a harmonogram uvolnění do oběhu v jednotlivých zemích (Saltzman et al., 2013) .................................................................................................... 35 Tab. 4: SWOT analýza biofortifikačních strategií (Carvalho, Vasconcelos, 2013)....... 36 Tab. 5: Doporučené denní dávky selenu u jednotlivých věkových kategorií (FAO/WHO, 2001) ............................................................................................................................... 47 Tab. 6: Příjem selenu ve vybraných státech (Rayman, 2008) ........................................ 50
78
Tab. 7: Obsah selenu v jednotlivých potravinách ve vybraných státech (Velíšek, Hajšlová, 2009) ............................................................................................................... 52 Tab. 8: Výsledky agrochemického zkoušení půdy před setím (před založením porostu) 54 Tab. 9: Varianty hnojení v pokusu ................................................................................. 55 Tab. 10: ARR stonek 8 dní po aplikaci ........................................................................... 60 Tab. 11: ARR List 8 dní po aplikaci ............................................................................... 60 Tab. 12: ANOVA – vliv foliární aplikace na výnos nažek slunečnice ............................ 64 Tab. 13:Výnos nažek slunečnice ..................................................................................... 64 Tab. 14: ANOVA - obsah selenu v nažkách slunečnice ................................................. 65
79
