Selenium and its effects on growth, yield and tuber quality in potato

Selenium (Se) has been demonstrated to be an essential trace element for maintenance of animal and human health. Although it has not been confirmed to be an essential micronutrient in higher plants, there is increasing evidence that Se functions as an antioxidant in plants. Selenium has been shown to exert a beneficial effect on crop growth and promotes stress tolerance at low concentrations. However, the specific physiological mechanisms that underlie the positive effects of Se in plants have not been clearly elucidated. The aims of this study were to determine the Se concentration in potato (Solanum tuberosum L.) and the effects of Se on the accumulation of carbohydrates, growth and yield in potato plants. An additional aim was to study the impact of Se on the total glycoalkaloid concentration in immature potato tubers. The distribution of Se in different biochemical Se fractions and the effect of storage on the Se concentration were studied in Se-enriched tubers. Furthermore, the effect of Se on raw darkening and translocation of Se from seed tubers to the next tuber generation was investigated. Due to the established anti-ageing properties of Se, it was of interest to study if Se affects physiological age and growth vigour of seed tubers. The Se concentrations in the upper leaves, roots, stolons and tubers of potato increased with increasing Se supplementation. The highest Se concentration was reached in young upper leaves, roots and stolons, indicating that added selenate was efficiently utilized and taken up at an early stage. During the growing period the Se concentration declined in the aerial parts, roots and stolons of potato plants whereas an intensive accumulation took place in immature and mature tubers. Selenium increased carbohydrate accumulation in the young upper leaves and in stolons, roots and tubers at maturity. This could not be explained by increased production of photoassimilates as net photosynthesis did not differ among Se treatments. The Se treated plants produced higher tuber yields than control plants, and at the highest Se concentration (0.3 mg kg-1) lower numbers of larger tubers were harvested. Increased yield of Se treated plants suggested that Se may enhance the allocation of photoassimilates for tuber growth, acting as a strong sink for both Se and for carbohydrates. Similarly as for other plant species, the positive impact of Se on the yield of potato plants could be related to its antioxidative effect in delaying senescence. The highest Se supplementation (0.9 mg kg-1) slightly decreased the glycoalkaloid concentration of immature tubers. However, at this level the Se concentration in tubers was about 20 µg g-1 DW. A 100 g consumption of potato would provide about 500 mg of Se, which exceeds the upper safe intake level of 400 µg per day for human dietary. The low Se applications (0.0035 and 0.1 mg kg-1) diminished and retarded the degree of raw darkening in tubers stored for one and eight months, which can be attributed to the antioxidative properties of Se. The storage for 1 to 12 months did not affect the Se concentrations of tubers. In the Se enriched tubers Se was allocated to the organic Se fraction, indicating that it was incorporated into organic compounds in tubers. Elevated Se concentration in the next-generation tubers produced by the Se enriched seed tubers indicated that Se could be translocated from the seed tubers to the progeny. In the seed tubers stored for 8 months, at high levels, Se had some positive effects on the growth vigour of sprouts, but Se had no consistent effect on the growth vigour of seed tubers of optimal physiological age. These results indicate that Se is a beneficial trace element in potato plants that exerts a positive effect on yield formation and improves the processing and storage quality of table potato tubers. These positive effects of Se are, however, dependent on the Se concentration and the age of the potato plant and tuber.

Seleeni on välttämätön hivenaine ihmisten ja eläinten terveydelle. Vaikka seleeniä ei ole luokiteltu kasveille välttämättömäksi hivenravinteeksi, tutkimustulokset ovat osoittaneet seleenin toimivan kasveissa antioksidanttina. Sopivan alhaisena annoksena seleenillä on osoitettu olevan hyödyllinen vaikutus viljelykasvien kasvuun ja stressinkestävyyteen. Seleenin spesifisiä fysiologisia vaikutusmekanismeja, joihin seleenin positiivisiin vaikutukset perustuvat, ei vielä kasveissa tunneta. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli määrittää seleenipitoisuus viljellyssä perunassa (Solanum tuberosum L.) sekä tutkia seleenin vaikutuksia hiilihydraattien kertymiseen, kasvuun ja satoon. Tutkimuksen tarkoituksena oli myös tutkia seleenin vaikutusta varhaisperunan glykoalkaloidipitoisuuteen. Seleenin jakautumista biokemiallisiin fraktioihin ja varastoinnin vaikutusta mukuloiden seleenipitoisuuteen tutkittiin seleenilannoitetuista perunoista. Edelleen seleenin vaikutusta raakatummumiseen ja siirtymistä siemenperunoista seuraavan sukupolven perunasatoon sekä seleeni vaikutusta siemenperunoiden fysiologiseen ikään ja elinvoimaan tutkittiin. Ylälehtien, juurien, rönsyjen ja perunoiden seleenipitoisuus kasvoi annetun seleenilisän suhteessa. Seleenipitoisuus oli korkein nuorissa ylälehdissä, juurissa ja rönsyissä mikä osoittaa, että annettu selenaatti hyödynnettiin tehokkaasti ja otettiin kasviin kasvun varhaisessa vaiheessa. Seleenipitoisuus aleni lehdissä, juurissa ja rönsyissä kasvun edistyessä, mutta seleeni kertyi tehokkaasti varhaisperunan ja täysikasvuisiin perunan mukuloihin. Seleeni edisti tärkkelyksen ja sokerien kertymistä nuoriin lehtiin ja vastaavasti kasvun myöhemmässä vaiheessa juuriin, rönsyihin ja perunoihin. Seleenin positiivinen vaikutus ei perustunut yhteyttämistuotteiden suurempaan tuotantoon, sillä seleenikäsittelyllä ei ollut vaikutusta kasvien yhteyttämiseen. Seleenilannoitus (0.075 ja 0.3 mg kg-1) vaikutti positiivisesti sadonmuodostukseen ja korkeimmalla seleenilisäys (0.3 mg kg-1) vähensi perunoiden lukumäärää, mutta niiden keskikoko suureni. Tulos osoittaa, että seleeni saattaa lisätä yhteyttämistuotteiden kohdentamista perunoiden kasvuun, jotka toimivat voimakkaina kohteena sekä seleenille että hiilihydraateille. Seleenin positiivinen vaikutus perunasatoon saattaa liittyä sen antioksidatiivisiin ominaisuuksiin, jotka hidastavat kasvien vanhenemista. Suuri seleenilisä (0.9 mg kg-1) alensi hieman varhaisperunoille ominaisten glykoalkalodien pitoisuutta. Tällä seleenilisäystasolla perunoiden seleenipitoisuus oli noin 20 µg g-1 kuiva-ainetta. Perunoiden 100 g:n syöntimäärä ylittää seleeninsaannin ihmiselle turvallisen saantimäärän 400 µg päivässä. Alhaiset seleenilisäykset (0.0035 ja 0.01 mg kg-1) hidastivat perunan raakatummumista, mikä saattaa johtua seleenin antioksidatiivisista ominaisuuksista. Varastointi ei vaikuttanut perunoiden seleenitasoon. Mukulassa seleeni siirtyi orgaaniseen seleenifraktioon, joka osoittaa, että se oli liittyneenä orgaanisiin yhdisteisiin. Seleeni voitiin kuljettaa seleenilannoitetuista siemenperunoista seuraavan sadon perunoihin. Seleenillä oli positiivisia vaikutuksia 8 kuukautta varastoitujen siemenperunoiden itujen elinvoimaan, mutta sillä ei ollut johdonmukaista vaikutusta siemenperunoiden elinvoimaan niiden ollessa optimaalisessa fysiologisessa iässä. Tämän väitöskirjatyön tutkimustulosten perusteella voidaan todeta, että seleeni on perunalle hyödyllinen hivenaine. Seleenillä on positiivinen vaikutus perunan sadonmuodostukseen ja se parantaa perunan käsittely- ja varastointilaatua. Edellä mainitut seleenin positiiviset vaikutukset riippuvat kasvin ja mukulan seleenipitoisuudesta sekä iästä.