Przedstawiamy prosty i niezawodny protokół pomiaru zawartości żelaza w tkankach roślinnych za pomocą metody kolorymetrycznej błękitu pruskiego.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiamy prosty i niezawodny protokół pomiaru zawartości żelaza w tkankach roślinnych za pomocą metody kolorymetrycznej błękitu pruskiego.
Żelazo, jeden z najważniejszych mikroelementów w organizmach żywych, bierze udział w podstawowych procesach, takich jak oddychanie i fotosynteza. Zawartość żelaza jest raczej niska we wszystkich organizmach i wynosi w roślinach około 0,009% suchej masy. Do tej pory jedną z najdokładniejszych metod pomiaru stężenia żelaza w tkankach roślinnych jest spektroskopia atomowa absorpcji płomienia. Takie podejście jest jednak czasochłonne i kosztowne oraz wymaga specjalnego sprzętu, który nie jest powszechnie spotykany w laboratoriach zakładowych. Dlatego potrzebna jest prostsza, ale dokładna metoda, którą można rutynowo stosować. Metoda kolorymetrycznego błękitu pruskiego jest regularnie stosowana do jakościowego barwienia żelaza w przekrojach histologicznych zwierząt i roślin. W niniejszej pracy dostosowaliśmy metodę błękitu pruskiego do ilościowych pomiarów żelaza w liściach tytoniu. Zweryfikowaliśmy dokładność tej metody przy użyciu zarówno spektroskopii atomowej, jak i barwienia błękitem pruskim w celu zmierzenia zawartości żelaza w tych samych próbkach i znaleźliśmy regresję liniową (R2 = 0,988) między tymi dwiema procedurami. Dochodzimy do wniosku, że metoda błękitu pruskiego do ilościowego pomiaru żelaza w tkankach roślinnych jest precyzyjna, prosta i niedroga. Jednak przedstawiona tutaj regresja liniowa może nie być odpowiednia dla innych gatunków roślin ze względu na potencjalne interakcje między próbką a odczynnikiem. W związku z tym konieczne jest wyznaczenie krzywej regresji dla różnych gatunków roślin.
Żelazo (Fe) jest ważnym mikroelementem we wszystkich organizmach żywych. U roślin jest niezbędnym mikroelementem1 ze względu na jego udział w podstawowych procesach, takich jak oddychanie, fotosynteza i biosynteza chlorofilu. Duża akumulacja wolnych jonów żelaza jest szkodliwa dla komórek roślinnych ze względu na reakcje prowadzące do uwolnienia wolnych rodników powodujących stres oksydacyjny. Aby utrzymać homeostazę żelaza w komórce roślinnej, jony są przechowywane w wakuolach i sekwestrowane w ferrytynach, klatkach białkowych bezpośrednio zaangażowanych w homeostazę żelaza2 i główną strukturę magazynowania żelaza we wszystkich organizmach żywych. Jednocześnie niedokrwistość z niedoboru żelaza dotyka znaczną część populacji ludzkiej, co powoduje rosnące zapotrzebowanie na biofortyfikację Fe w roślinach. Ze względu na unikalne właściwości roślinnej ferrytyny, wzbogacanie żywności w żelazo stanowi obiecującą strategię walki z problemem niedożywienia3.
Jony żelaza występują głównie w dwóch stopniach utlenienia, a mianowicie w formie żelaza (dwuwartościowegoFe2+ lub żelaza (II)) i żelaza (trójwartościowegoFe3+ lub żelaza (III)). Kilka innych form żelaza, takich jak klastry żelaza4, znajduje się również w komórkach. Fe jest magazynowany w komórce jako tlenek żelaza i naturalnie tworzy hematyty (Fe2O3) i żelazohidryty ((Fe3+)2O3•0,5H2O) w warunkach fizjologicznych5. Wodorotlenki powstające w tych reakcjach, zwłaszcza forma żelazowa, mają bardzo niską rozpuszczalność. Retencja żelaza jest w konsekwencji zaburzona przez pH roztworu i jest w dużej mierze w stanie stałym powyżej pH 56.
Biorąc pod uwagę słabą rozpuszczalność i wysoką reaktywność Fe, jego transfer między tkankami i organami roślinnymi musi być powiązany z odpowiednimi cząsteczkami chelatującymi. Co więcej, jego stany redoks między formami żelaza i żelaza muszą być kontrolowane1 muszą być kontrolowane. W liściach około 80% żelaza znajduje się w komórkach fotosyntetycznych, ze względu na jego istotną rolę w systemie transportu elektronów, w biosyntezie cytochromów, chlorofilu i innych cząsteczek hemu oraz w tworzeniu klastrów Fe-S7. W przypadku nadmiaru żelaza w komórce, nadwyżka jest translokowana do wakuoli, gdzie metal jest przechowywany w cząsteczkach ferrytyny8.
Żelazo można mierzyć w tkankach roślinnych za pomocą kilku metod, w tym spektroskopii absorpcji atomowej płomienia9 (FAAS) lub testów kolorymetrycznych10, przy czym pierwsza z nich jest znacznie bardziej precyzyjna niż druga. FAAS to bardzo dokładna technika, która umożliwia określenie składu pierwiastkowego próbki na podstawie emisji elektromagnetycznej poszczególnych pierwiastków. FAAS przekształca jony metali w stany atomowe poprzez podgrzanie próbki płomieniem, co prowadzi do wzbudzenia jonów i emisji o określonej długości fali, gdy dany jon powraca do stanu podstawowego. Emisje z różnych jonów są rozdzielane przez monochromator i wykrywane przez czujnik absorpcyjny11. FAAS służy zatem do bezpośredniego ilościowego określania stężeń żelaza. Dostępne są jednak inne techniki wizualizacji żelaza w tkankach biologicznych. Spektroskopia mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS)12 jest bardzo precyzyjną techniką pomiaru żelaza i innych pierwiastków śladowych, ale częstym problemem jest brak sprzętu, zarówno dla FAAS, jak i ICP-MS. Z drugiej strony, pomiar żelaza za pomocą kolorymetrii tiocyjanianowej 13 nie jest precyzyjny i nie wykrywa niewielkich różnic między próbkami. Barwienie błękitem pruskim14,15,16,17 to metoda pośrednia oparta na reakcji żelazocyjanku potasu (K4Fe(CN)6) z kationami Fe, dająca silny niebieski kolor, i jest stosowana do jakościowego wykrywania żelaza w histologicznych przekrojach tkanek zwierzęcych i roślinnych.
Metaliczne (bezwartościowe) żelazo jest rzadkością w litosferze. Dominująca nieskompleksowana forma jonowa żelaza w środowisku jest w większości podyktowana ilością tlenu w otoczeniu, przy czym żelazo jest stosunkowo obfite w środowiskach beztlenowych, a żelazo dominuje w miejscach tlenowych. Ta ostatnia forma jest również dominująca w skrajnie kwaśnych środowiskach, chociaż czynniki wywołujące utlenianie żelaza żelazawego często różnią się w otoczeniu beztlenowym i kwaśnym18. Gdy żelazo jest rozpuszczone w 4% HCl (pH 0) w środowisku tlenowym, większa część rozcieńczonego żelaza występuje w postaci żelaza (Fe3+)19,20.
Reakcje między jonami Fe a K4Fe(CN)6 są następujące:
Fe3+: FeCl3 + K4Fe(CN)6 = KFe(III)Fe(II)(CN)6 ̄ + 3KCl
Fe2+: 4 FeCl2 + 2 K4Fe(CN)6 = Fe4(Fe(CN)6)2 + 8 KCl
W obecnym badaniu zapytaliśmy, czy pruskie niebieskie barwienie może być przydatne do pomiaru poziomu żelaza w roztworze.
Początkowo sprawdziliśmy korelację między stężeniem Fe w roztworze wodnym a pruskim niebieskim zabarwieniem. Stężenie Fe (jako FeCl2, FeCl3 lub mieszanina 1:1) w roztworach wodnych mierzono zarówno za pomocą spektroskopii atomowej, jak i absorbancji (OD) po dodaniu błękitu pruskiego. Rysunek 1 przedstawia krzywe regresji liniowej dla pomiarów uzyskanych za pomocą każdej metody. Doszliśmy do wniosku, że metoda błękitu pruskiego może być stosowana do ilościowej analizy stężenia żelaza w roztworze.

Rysunek 1: Regresje liniowe pomiędzy stężeniem Fe mierzonym metodą FAAS a absorbancją światła (OD, 715 nm) uzyskaną metodą błękitu pruskiego. Niebieskie kwadraty i linia reprezentują roztwór Fe2+, czerwone kwadraty i linia reprezentują roztwór Fe3+, a czarne kwadraty i linia reprezentują mieszaninę 1:1 między Fe2+ i Fe3+. Uzyskano następujące regresje: [Fe2+] = 3 + 123 x OD, r = 0,996, R2 = 0,989; [Fe3+] = 1 + 292 x OD, r = 0,999, R2 = 0,997; i [Fe2+/3+] = 11 + 146 x OD, r = 0,983, R2 = 0,956. Dawcą Fe2 + był FeCl2, a donorem Fe3 + był FeCl3. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Aby dostosować metodę kolorymetrycznego błękitu pruskiego do ilościowej analizy żelaza w tkankach roślinnych, zawartość żelaza w popiołach z liści tytoniu została zmierzona za pomocą spektroskopii atomowej absorpcji płomienia i barwienia błękitem pruskim. Stwierdzono dobrą korelację między wynikami uzyskanymi za pomocą tych dwóch technik.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Materiał roślinny i warunki wzrostu
2. Przygotowanie liści do pomiaru żelaza
Uwagi: Wszystkie materiały, które mają być użyte, muszą być wolne od żelaza, aby zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia żelazem. Moździerz i tłuczek należy dwukrotnie oczyścić 4% roztworem HCl i za każdym razem osuszyć bibułą filtracyjną przed użyciem. Jeśli jakikolwiek materiał zostanie ponownie użyty, wyczyść go dwukrotnie 4% roztworem HCl i osusz bibułą filtracyjną.
3. Spalanie liści na popiół
Uwagi: Użycie roztworu HCl o niskim pH (bliskim 0) ma na celu zwiększenie rozpuszczalności żelaza. Wełna mineralna służy do zapobiegania wydostawaniu się gazów z fiolki podczas spalania.
4. Przygotowanie popiołu do pomiaru żelaza
Uwagi: Końcowe stężenie żelaza w początkowej próbce jest obliczane jako waga popiołów podzielona przez dodaną objętość HCl.
5. Pomiar stężenia żelaza za pomocą FAAS
6. Przygotowanie roztworu do barwienia błękitu pruskiego
7. Generowanie krzywej kalibracyjnej dla metody błękitu pruskiego przy użyciu wyników FAAS
UWAGA: Oblicz stężenie żelaza w popiołach za pomocą następującego wzoru
Równanie 1
C: stężenie, V: objętość próbki, W: masa popiołu (g).
8. Stosowanie metody błękitu pruskiego do oznaczania poziomu żelaza w innych próbkach z tego samego typu rośliny
Uwagi: Ponieważ krzywa kalibracyjna została już ustalona dla tego typu instalacji, stężenie żelaza w nowych próbkach z tego samego typu zakładu można bezpośrednio obliczyć za pomocą wzoru na regresję liniową.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Gdy ten protokół zostanie przeprowadzony poprawnie, powinno się uzyskać doskonałą korelację między wynikami uzyskanymi metodami błękitu pruskiego i spektroskopii atomowej. Dlatego metoda błękitu pruskiego może być łatwo wykorzystana do uzyskania dokładnego pomiaru stężenia żelaza w próbkach roślinnych, co znalazło odzwierciedlenie w poniższym eksperymencie.
Rośliny tytoniu były uprawiane zgodnie z opisem w protokole i nawadniane...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Pomiar żelaza w tkankach roślinnych jest bardzo ważny dla oceny skutków nawadniania lub innych warunków środowiskowych. W tym miejscu opisaliśmy łatwą i dokładną metodę kolorymetryczną pomiaru zawartości żelaza w liściach tytoniu, którą można łatwo dostosować do innych gatunków roślin i tkanek.
Optymalizując warunki dla metody kolorymetrycznej, użyliśmy podłoża o niskim pH (pH < 1,0), aby umożliwić rozpuszczalność żelaza. Proces spalania przeprowadzono w celu uwolnienia wszystkich form żelaza ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez izraelskie Ministerstwo Nauki, Technologii i Przestrzeni oraz przez grant od Głównego Naukowca izraelskiego Ministerstwa Rolnictwa (#16-16-0003).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Heksacyjanożelazian(II) | potasu Fisher Chemical | 14459-95-1 | Odczynnik do |
| filtra strzykawkowego Pussian Blue Millex, odpowietrznik fiolki 0,22 i mu; m | Millec | SLGP033RS | Filtr służący do filtrowania popiołu + 4% HCl Roztwór |
| Fiolki scyntylacyjne | Fisherbrand | 03-337-4 | Służy do utrzymywania suchego sproszkowanego materiału roślinnego podczas procedury spalania. |
| Jednorazowa strzykawka 10 ml | Medi-Plus | 1931 | Strzykawka używana podczas filtracji |
| Kwas solny | Sigma-Aldrich | 231-595-7 | Stosowany w 4% roztworze HCl do rozcieńczania popiołów i czyszczenia materiałów |
| Tytoń, Nicotiana tabacum cv. Samsun NN | Uzyskany od prof. Simona Baraka i rutynowo stosowany w laboratorium | ZaccaiBarak S, Nejidat A, Heimer Y, Volokita M. Regulacja transkrypcji i potranskrypcji genu oksydazy glikolanowej w sadzonkach tytoniu. Biologia molekularna roślin. 1 marca 2001; 45(4):399-407. | Odmiana tytoniu użyta w tym protokole |
| Wełna szklana (wełna mineralna) | Sigma-Aldrich | 659997-17-3 | Stosowana w procedurze spalania próbek w piecu. |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie