Ein kolorimetrischen Verfahren zur Messung der Eisengehalt in Pflanzen

Summary

Wir präsentieren Ihnen ein einfaches und zuverlässiges Protokoll zur Messung der Eisengehalt im Pflanzengewebe mit der kolorimetrischen Preußischblau-Methode.

Abstract

Eisen, eines der wichtigsten Mikronährstoffe in lebenden Organismen, engagiert sich in grundlegenden Prozesse, wie Atmung und Photosynthese. Gehalt an Eisen ist in allen Organismen, in Höhe von ca. 0,009 % Trockensubstanz in Pflanzen eher gering. Bis heute ist eine der genauesten Methoden zur Messung der Eisenkonzentration im Pflanzengewebe Flamme Absorption Atomspektroskopie. Aber dieser Ansatz ist zeitaufwändig und teuer und erfordert speziellen Geräte, die in Anlage Labors nicht häufig zu finden. Daher braucht man eine einfachere, aber genaue Methode, die routinemäßig eingesetzt werden kann. Die farbmetrische Preußischblau Methode wird regelmäßig für qualitative Eisen Färbung in Tier- und histologischen Abschnitte verwendet. In dieser Studie haben wir die Preußischblau Methode zur quantitativen Messungen des Eisens im Tabak Blätter angepasst. Wir überprüft die Genauigkeit dieser Methode mit Atomspektroskopie und Preußischblau beflecken, zum Messen der Eisengehalt in den gleichen Proben und fand eine lineare Regression (R² = 0.988) zwischen den beiden Verfahren. Wir schlussfolgern, dass die Preußischblau Methode zur quantitativen Eisen-Messung im Pflanzengewebe präzise, einfach und kostengünstig ist. Die lineare Regression, die hier vorgestellten möglicherweise jedoch nicht geeignet für andere Pflanzenarten, wegen möglicher Wechselwirkungen zwischen der Probe und Reagenz. Einrichtung einer Regression Kurve benötigt somit für verschiedene Pflanzenarten.

Introduction

Eisen (Fe) ist ein wichtiger Mikronährstoff in allen lebenden Organismen. In Pflanzen ist es ein wesentlicher Mikronährstoff-¹ wegen seiner Beteiligung an grundlegenden Prozesse, wie Atmung, Photosynthese und Chlorophyll Biosynthese. Hohe Ansammlung von freien Eisenionen ist schädlich für die Pflanzenzellen durch Reaktionen führt zur Freisetzung von freien Radikalen verursacht oxidativen Stress. Um Eisen in der Pflanzenzelle Homöostase sind Ionen in Vakuolen gespeichert und innerhalb Ferritins, Protein Käfige direkt beteiligt sind Eisen-Homöostase-² und der wichtigsten Speicherstruktur von Eisen in allen lebenden Organismen abgesondert. Zur gleichen Zeit betrifft Eisenmangel Anämie einen Großteil der menschlichen Bevölkerung, was zu einem steigenden Bedarf an Anlage Fe biofortifikation. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften der Pflanze Ferritin bietet Essen Anreicherung mit Ferritin-Eisen eine vielversprechende Strategie zur Bekämpfung dieses Problems der Unterernährung³.

Eisen-Ionen sind hauptsächlich gefunden in zwei Oxidationsstufen, nämlich dem Eisen (zweiwertigen Fe^{2 +} oder Eisen (II)) und Eisen (dreiwertiges Fe^{3 +} oder Eisen (III)) Formen. Verschiedene andere Formen von Eisen, z. B. Eisen-Cluster⁴, finden sich auch in den Zellen. FE wird gespeichert als Eisenoxid innerhalb der Zelle und natürlich Formen Hematites (Fe₂O₃) und Ferryhidrites ((Fe^{3 +})₂O₃•0.5 H₂O) unter physiologischen Bedingungen⁵. Die hydroxide gebildet in diesen Reaktionen, vor allem Eisen Form, haben sehr geringe Löslichkeit. Eisen-Aufbewahrung richtet sich daher nach den pH-Wert der Lösung und ist weitgehend in einen festen Zustand über pH 5-⁶.

Angesichts der schlechten Löslichkeit und hohe Reaktivität der Fe muss die Übertragung unter den pflanzlichen Geweben und Organen geeignete Komplexbildner Moleküle zugeordnet werden. Darüber hinaus müssen die Redox-Staaten zwischen dem Eisen und Eisen Formen¹ gesteuert werden. In Blätter etwa 80 % des Eisens findet sich in photosynthetischen Zellen durch seine wesentliche Rollen in das elektronentransportsystem, bei der Biosynthese von Zellfarbstoffe, Chlorophyll und anderen Häm-Moleküle, und bei der Bildung von Fe-S-Cluster⁷. Im Falle von Eisen Übermaß innerhalb der Zelle ist der Überschuss in die Vakuole umgesiedelt, wo das Metall in Ferritin-Moleküle⁸gespeichert ist.

Eisen kann durch mehrere Methoden, einschließlich Flamme Atom-Absorptions-Spektroskopie⁹ (FAAS) oder farbmetrische Assays¹⁰, das ehemalige sein viel präziser als die letzteren in Pflanzengeweben gemessen werden. FAAS ist eine hochpräzise Technik, mit der man die elementare Zusammensetzung einer Probe auf der Grundlage der elektromagnetischen Emissionen der einzelnen Elemente bestimmen kann. FAAS konvertiert Metallionen in Zustände durch Flamme erhitzen der Probe, was zu Ionen-Anregung und Emission einer bestimmten Wellenlänge, wenn eine bestimmte Ion in seinem Grundzustand zurückkehrt. Die Emissionen aus den verschiedenen Ionen sind getrennt durch einen Monochromator und durch Absorption Sensor¹¹erkannt. FAAS dient somit direkt Eisen-Konzentrationen zu quantifizieren. Andere Techniken zur Visualisierung von Eisen in biologischen Geweben sind jedoch verfügbar. Induktiv-gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS)¹² ist eine sehr präzise Technik zur Messung von Eisen und anderen Spurenelementen, sondern der Mangel an Ausrüstung, sowohl für FAAS und ICP-MS, ist ein häufiges Problem. Auf der anderen Seite Eisen Messung von Thiocyanat Farbmetrik¹³ nicht präzise genug und nicht geringe Schwankungen zwischen Proben erkennt. Preußischen blaue Färbung^14,15,16,17 ist eine indirekte Methode basiert auf der Reaktion von dreiwertigem Kaliumferrocyanid (K₄Fe(CN)₆) mit Fe-kationen, produzieren ein starke blaue Farbe, und dient zur qualitativen Eisen-Erkennung in histologischen Abschnitten von tierischen und pflanzlichen Geweben.

Metallic (null-Valent) Eisen ist selten in der Lithosphäre. Die dominierende nicht komplexiert Ionische Form des Eisens in der Umgebung richtet sich vor allem durch die Menge an Sauerstoff in der Umgebung mit Eisen Eisen als relativ häufiger in anoxischen Umgebungen und dreiwertigem Eisen überwiegt in aeroben Websites. Diese letztere Form ist auch in extrem sauren Umgebungen, dominierend, obwohl die Erreger der eisenhaltige Eisenoxidation oft in anoxischen und sauren Umgebung¹⁸unterscheiden. Wenn Eisen ist in 4 % solubilisiert HCl (pH 0) in einer aeroben Umgebung, der Großteil der verdünnten Eisen vorhanden ist, als das Eisen (Fe^{3 +})^19,20bilden.

Die Reaktionen zwischen Fe-Ionen und K₄Fe(CN)₆ lauten wie folgt:

FE^{3 +}: FeCl₃ + K₄Fe(CN)₆ = KFe(III)Fe(II)(CN)₆¯ + 3KCl

FE^{2 +}: 4 FeCl₂ + 2 K₄Fe(CN)₆ Fe₄(Fe(CN)₆)₂ + 8 = KCl

In der vorliegenden Studie fragten wir ob preußischen Blaufärbung zur Messung der Eisengehalt in Lösung nützlich sein kann.

Wir überprüft zunächst die Korrelation zwischen der Konzentration von Fe in wässriger Lösung und preußischen Blaufärbung. Die Fe (als FeCl₂, FeCl₃ oder ein 1:1 Mischung aus beidem) Konzentration in wässrigen Lösungen wurde sowohl durch Atomspektroskopie Extinktion (OD) nach Zugabe von Preußischblau gemessen. Abbildung 1 zeigt die lineare Regression-Kurven für Messungen von jeder Methode. Wir festgestellt, dass die preußische blaue Methode zur quantitativen Analyse von Eisen-Konzentration in der Lösung verwendet werden kann.

Abbildung 1: lineare Regressionen zwischen Fe-Konzentration gemessen an FAAS und leichte Extinktion (OD, 715 nm) durch die preußische blau-Methode erhalten. Die blauen Quadrate und Linie stellen die Fe^{2 +} Lösung dar, die roten Quadrate und Linie repräsentieren die Fe^{3 +} Lösung und die schwarzen Quadrate und Linie repräsentieren eine 1:1 Mischung aus Fe^{2 +} und Fe^{3 +}. Die folgenden Regressionen wurden erzielt: [Fe^{2 +}] = 3 + 123 X OD, R = 0.996, R² = 0.989; [Fe^{3 +}] = 1 + 292 X OD, R = 0,999, R² = 0.997; und [Fe^{2 + / 3 +}] = 11 + 146 X OD, R = 0.983, R² = 0.956. Fe^{2 +} Spender war FeCl₂ und Fe^{3 +} Spender war FeCl₃. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Um die farbmetrischen preußische blau Methode für quantitative Eisen Analyse von Pflanzengewebe anzupassen, war der Eisengehalt von Tabak Blatt Asche gemessen Flamme Absorption Atomspektroskopie und preußischen Blaufärbung. Es gab gute Korrelation zwischen den Ergebnissen aus durch die beiden Techniken.

Protocol

(1) Pflanzenmaterial und Wachstumsbedingungen Samen einer Tabak (Sorte Samsun) Samen pro Topf 5 x 5 cm mit standard Topf Medium gefüllt. Stellen Sie die Töpfe auf Tabletts. Wachsen Sie die Pflanzen im Wachstum Zimmer unter anstrengenden Bedingungen (16/8 h hell/dunkel) bei einer konstanten Temperatur von 23 ° C. Spülen Sie mit Wasser aus dem Wasserhahn bis Wasser fließt aus dem Topf. Beginnen Sie nach 50±5 Tagen Fe Behandlungen in der Bewässerung, entsprechend die Konzentrationen geeignet für …

Representative Results

Wenn dieses Protokoll korrekt durchgeführt wird, sollte man ausgezeichnete Korrelation zwischen den Ergebnissen der preußischen blau und atomare Spektroskopie-Methoden. Daher die preußische blaue Methode leicht lässt sich eine genaue Messung der Eisenkonzentration in Pflanzenproben, wie Sie sich in das folgende Experiment. Tabakpflanzen waren gewachsen, wie im Protokoll beschrieben und bewässert mit Wasser, die verschiedene…

Discussion

Eisen-Messung im Pflanzengewebe ist sehr wichtig für die Bewertung der Auswirkungen der Bewässerung oder andere Umweltbedingungen. Wir hier eine einfache und genaue kolorimetrischen Verfahren zur Fe Content Messung in Tabakblättern, die ohne weiteres auf andere Pflanzenarten und Gewebe angepasst werden können.

Bedingungen für die kolorimetrischen Verfahren zu optimieren, haben wir einen niedrigen pH-Wert Medium (pH < 1.0) um Eisen Löslichkeit zu ermöglichen. Der Brennvorgang wurde durch…

Materials

Potassium Hexacyanoferrate(II)	Fisher Chemical	14459-95-1	Reagent for the Pussian Blue
Millex Syringe Filter Unit, Vial Vent 0.22 μm	Millec	SLGP033RS	Filter used to filter the ashes + 4% HCl Solution
Scintillation Vials	Fisherbrand	03-337-4	Used to keep the dry powdered plant material during the burning procedure.
Disposable Syringe 10 ml	Medi-Plus	1931	Syringe used during the filtration
Hydrochloric acid	Sigma-Aldrich	231-595-7	Used in the 4% HCl solution to dilute the ashes and clean the materials
Tobacco, Nicotiana tabacum cv. Samsun NN	Obtained from Prof. Simon Barak and routinely used in the Zaccai Lab	Barak S, Nejidat A, Heimer Y, Volokita M. Transcriptional and posttranscriptional regulation of the glycolate oxidase gene in tobacco seedlings. Plant Molecular Biology. 2001 Mar 1;45(4):399-407.	Tobacco cultivar used in this protocol
Glass Wool (Rock Wool)	Sigma-Aldrich	659997-17-3	Used in the procedure of burning samples in the furnace.