Lanthanidler, birçok ülkede bitki büyümesini teşvik etmek için mikrobesin olarak gübreye eklenen nadir toprak unsurları sınıfıdır. Ancak, bitkiler tarafından nasıl emildikleri veya fotosentezi etkiledikleri hakkında çok az şey biliniyor, potansiyel olarak faydalarını kullanılamıyor.
Şimdi, MIT araştırmacıları lantanidlerin bitkiler içinde nasıl hareket ettiğini ve çalıştığına ışık tuttular. Bu içgörüler, çiftçilerin dünyanın en popüler ürünlerini büyütmek için kullanımlarını optimize etmelerine yardımcı olabilir.
Bugün yayınlandı Amerikan Kimya Derneği DergisiÇalışma, tohumlara uygulanan tek bir nano ölçekli lantanid dozunun, dünyanın en yaygın mahsullerinden bazılarını UV stresine daha dayanıklı hale getirebileceğini göstermektedir. Araştırmacılar ayrıca, lantanidlerin fotosentezi yönlendiren klorofil pigmentleriyle etkileşime girdiği kimyasal süreçleri ortaya çıkardılar, bu da farklı lantanid elemanlarının merkezindeki magnezyum değiştirerek klorofilleri güçlendirdiğini gösterdi.
Postdoc Giorgio Rizzo ile araştırmayı yürüten Doçent Benedetto Marelli, “Bu, bu elementlerin bitkilerde nasıl çalıştığını daha iyi anlamak ve bitkilere nasıl daha iyi teslim edilebileceklerine, sadece toprağa uygulanmaya kıyasla bir örnek sunmak için ilk adımdır.” Diyor. “Bu, lantanidlerin klorofil üzerindeki etkilerini ve bitkileri UV stresinden korumak için yararlı etkilerini gösteren kapsamlı bir çalışmanın ilk örneğidir.”
İç Bitki Bağlantıları
Bazı lantanidler, MRG’de kontrast maddeler olarak ve ışık yayan diyotlar, güneş pilleri ve lazerler gibi uygulamalar için kullanılır. Son 50 yılda, lantanidler tarımda giderek daha fazla kullanılmıştır.
Makalenin ilk yazarı Rizzo, “Lanthanidler uzun zamandır biyolojik olarak alakasız olarak kabul edildi, ancak bu, özellikle Çin’de değişti” diyor. “Ama Lantanides’in bitkilere fayda sağlamak için nasıl çalıştığını büyük ölçüde bilmiyoruz – ne de bitki dokularından alım mekanizmalarını anlamıyoruz.”
Son çalışmalar, düşük konsantrasyonlarda lantanitlerin bitki büyümesini, kök uzamasını, hormon sentezini ve stres toleransını teşvik edebileceğini, ancak daha yüksek dozların bitkilere zarar verebileceğini göstermiştir. Lantanidlerin bitkiler tarafından nasıl emildiği veya kök toprağı ile nasıl etkileşime girdikleri hakkındaki anlayış eksikliğimiz nedeniyle doğru dengeye çarpmak zor olmuştur.
Çalışma için, araştırmacılar, bitki pigment klorofilinin bitkilerin içinde ve dışında lantanidlerle etkileşime girme şeklini araştırmak için daha önce geliştirdikleri tohum kaplama ve tedavi teknolojilerinden yararlandı. Şimdiye kadar, araştırmacılar klorofilin lantanid iyonları ile etkileşime girip girmediğinden emin değillerdi.
Klorofil fotosentezi yönlendirir, ancak pigmentler çekirdeğindeki magnezyum iyonu çıkarıldığında ışığı etkili bir şekilde emme yeteneklerini kaybeder. Araştırmacılar, lantanidlerin bu boşluğu doldurabileceğini keşfetti ve klorofil pigmentlerinin yeniden gerginlik olarak bilinen bir işlemde optik özelliklerinin bir kısmını kısmen kurtarmasına yardımcı oldular.
Marelli, “Lantanidlerin bitki sağlığının çeşitli parametrelerini artırabileceğini bulduk.” Diyor. “Çoğunlukla köklerde birikirler, ancak küçük bir miktar yapraklara doğru yol alırlar ve yapraklarda yapılan yeni klorofil moleküllerinin bazıları, yapılarına eklenmiş lantanidler vardır.”
Bu çalışma ayrıca, lantanidlerin bitki esnekliğini UV stresine artırabileceğine dair ilk deneysel kanıt sunmaktadır, bu da araştırmacıların tamamen beklenmedik bir şey olduğunu söyler.
“Klorofiller çok hassas pigmentlerdir,” diyor Rizzo. “Işığı bitkilerdeki enerjiye dönüştürebilirler, ancak hücre yapısından izole edildiklerinde, hızla hidrolize olurlar ve bozulurlar. Ancak, merkezlerinde lantanidler formunda, bitki hücrelerinden çıkardıktan sonra bile oldukça stabildirler.”
Farklı spektroskopik teknikler kullanarak araştırmacılar, nohut, arpa, mısır ve soya fasulyesi de dahil olmak üzere çeşitli temel ürünlerde tutulan faydaları buldular.
Bulgular, mahsul verimini artırmak ve dünyanın en popüler ürünlerinin bazılarının aşırı hava koşullarına dayanıklılığını arttırmak için kullanılabilir.
Marelli, “Aşırı ısı ve aşırı iklim olaylarının daha yaygın olduğu ve özellikle tarlada uzun süreli güneş dönemlerine sahip olabileceğimiz bir ortama taşındıkça, bitkilerimizi korumak için yeni yollar sunmak istiyoruz.” Diyor. “Bitkileri UV gibi stres faktörlerinden korumak için yapraklara uygulanabilen mevcut tarımsal kimyasallar vardır, ancak toksik olabilirler, mikroplastikleri artırabilir ve birden fazla uygulama gerektirebilirler. Bu, bitkileri UV stresinden korumak için tamamlayıcı bir yol olabilir.”
Yeni uygulamaları belirleme
Araştırmacılar ayrıca, lantanim gibi daha büyük lantanid elemanlarının klorofil pigmentlerini güçlendirmede daha küçük olanlardan daha etkili olduğunu bulmuşlardır. Lanthanum, nadir toprak madenciliğinin düşük değerli bir yan ürünü olarak kabul edilir ve daha arzu edilen nadir topraklardan ayırma ihtiyacı nedeniyle nadir toprak elemanı (REE) tedarik zincirine bir yük haline gelebilir. Bilim adamları, Lanthanum’a olan talebin arttırılması, REE’lerin ekonomisini çeşitlendirebilir ve tedarik zincirlerinin istikrarını artırabilir.
Marelli, “Bu çalışma, bu düşük değerli metallerle neler yapabileceğimizi gösteriyor.” Diyor. “Lanthanidlerin elektronik, mıknatıs ve enerjide son derece yararlı olduğunu biliyoruz. ABD’de onları geri dönüştürmek için büyük bir baskı var. Bu yüzden bitki çalışmaları için en bol, en ucuz lantanid iyonu olan lantanime odaklandık.”
İleride, ekip lantanidlerin insan vücudundaki proteinler de dahil olmak üzere diğer biyolojik moleküllerle nasıl çalıştığını keşfetmeyi planlıyor.
Tarımda ekip, UV esnekliğinin farklı mahsul tiplerinde ve deneysel çiftlik koşullarında test edilmeye devam etmek için alan ve sera çalışmalarını içerecek şekilde araştırmasını ölçeklendirmeyi umuyor.
Rizzo, “Lanthanidler zaten tarımda yaygın olarak kullanılıyor” diyor. Diyerek şöyle devam etti: “Bu çalışma, bunların daha bilinçli kullanılmasına izin veren kanıtlar ve bunları tohum tedavileri yoluyla uygulamanın yeni bir yolunu sunuyor.”
