Toxicita těžkých kovů, jejich příjem, translokace a vliv na produkci ochranných a signálních látek u rostlin

Mgr. Jiří Šimek

Doctoral thesis

Heavy metals toxicity, their uptake, translocation and influence on the production of protective and signal substances by plants

Abstract:

V rámci překládané dizertační práce je shrnuta aktuální situace kolem problematiky těžkých kovů (HM) v souvislosti se stresovým působením na rostliny. Práce rovněž obsahuje metodiky a výsledky celkem 4 experimentů, které proběhly v rámci doktorského studia. V těchto pokusech bylo pracováno s běžně pěstovanými a dostupnými rostlinami - fazol obecný (Phaseolus vulgaris), pšenice (Triticum aestivum L.), okurka setá (Cucumis sativus); léčivými rostlinami - kalisie vonná (Calisia fragans); dříve popsanými rostlinnými hyperakumulátory - zelenec (Chlorophytum commosum) a typicky pokusnými druhy - huseníček (Arabidopsis sp.). Bylo využito jak hydroponického prostředí, tak nádobových experimentů ve skleníku. Z HM jsme se soustředili převážně na Cd, výběrově doplněné o esenciální prvek Zn. Kromě makroskopického hodnocení vlivu Cd na růst a vývoj rostlin, byly pomocí nedestruktivních měřících metod zjišťovány i další proměnné, jako např. intenzita fotosyntézy, transpirace, vodivost průduchů či relativní obsah chlorofylu. Pomocí laboratorních metod pak byl zkoumán obsah Cd v jednotlivých částech rostlin, popřípadě zde byl sledován i pohyb dalších relevantních kationtů. Pro identifikaci a pochopení zapojení různých obranných mechanismů bylo v rostlinách rovněž stanovováno množství dalších signálních látek, jako např. organických kyselin, fenolických látek (PhC), thiolů či určena míra antioxidační kapacity (AOC). To vše v závislosti na různých doprovodných aniontech, poskytujících Cd uměle kontaminovaným půdám. Během experimentů docházelo k ovlivnění produkce rostlinné biomasy, a to jak v pozitivním, tak negativním směru. Zatímco přídavek HM do živného média měl za následek snížení hmotnosti rostlinné hmoty u mladých rostlin fazole, pšenice a klíčících rostlin Arabidopsis, u rostlin okurky způsobily všechny varianty s přídavkem Cd naopak mírné zvýšení této produkce. Naopak zelenec a kalísie prokázaly vysokou schopnost odolávat toxicitě Cd a žádné snížení produkce biomasy nebylo pozorováno. Doprovodný aniont se rovněž v tomto ohledu jevil jako jeden z důležitých faktorů. Tím dalším, a neméně podstatným, byl pak samotný rostlinný druh. K pozorovaným projevům toxicity patřily v našich experimentech listové chlorózy, popřípadě žloutnutí listů či znatelná ztráta pigmentů, popř. hnědnutí kolem listových žilek. Mnohem větší poškození pak bylo pozorováno u variant s doprovodným aniontem Cl-, než u aniontu SO42-. Potenciál fotochemické účinnosti systému PSII, byl jak inhibován, tak mírně posílen. Tento specifický účinek pak úzce závisel na druhu rostliny, ale i na dalších, pro rostlinu dostupných aniontech. Jednotným zjištěným byl fakt, že zvyšující se koncentrace Cd v médiu má rovněž za následek zvyšující se koncentraci kovu v rostlině. Vůbec nejvíce přijatého Cd rostlinami, bylo shodně akumulováno v kořenech. U rostlin okurky a fazole to bylo shodně více než 90 %, u pšenice okolo 60 %, u zelence 57 % a u kalisie 56 %. Zn pak zůstával v kořenech v menší části (přibližně 40 - 70 % u fazolí a 30 - 50 % u pšenice). Zn byl také, při pohybu z kořenů do nadzemních částí, mnohem mobilnější než Cd.Signální, ale i obranný mechanismus kyseliny salicylové se lišil na úrovních kořene a listu, a to opět v závislosti na druhu rostliny. Fenolické látky vykazovaly zapojení do obranných reakcí rostlin, především díky kapacitě vázat na sebe kov. Rovněž zvýšení hodnot antioxidační kapacity, převážně v kořenech u zelence a kalísie, jako reakce na vyšší koncentrace Cd, zabraňuje zřejmě dalšímu oxidačnímu poškození rostliny. Velký nárůst ve vodě rozpustných thiolů zaznamenaly genotypy Arabidopsis, obsahující proteinov

Abstract:

é přenašeče s velkou afinitou k prolinu. Přítomnost tohoto proteinu tak zřejmě hraje zásadní roli, jak v dostupnosti thiolů, tak celkové odolnosti rostlin vůči Cd. V neposlední řadě jsme ukázali, že vysoké hladiny organických kyselin nejsou samy o sobě hlavním důvodem pro hyperakumulaci a hypertoleranci vůči Cd. Zjištění, že chemická forma přidaného Cd do živného roztoku ovlivňuje nejen úroveň akumulace Cd, ale i zapojení dalších obranných mechanismů v podobě syntézy specifických látek, v závislosti na druhu rostliny je informací, na základě které jsou velmi žádoucí další podobně zaměřené výzkumné studie.

Abstract:

The aim of the present thesis was to summarize current information of actual problem of heavy metals (HM) in connection with their stress influence on plants. Thesis also includes the methodology and results of four experiments conducted during the doctoral studies. In these experiments, it was worked with available commonly grown plants – bean (Phaseolus vulgaris), wheat (Triticum aestivum), cucumber (Cucumis sativus); medical herbs – basket plant (Calisia fragrans); previously described metal hyperaccumulator – spider plant (Chlorophytum comosum); and typical experimental plant - Arabidopsis. Hydroponic cultivation and pot experiments in the greenhouse were used. From heavy metals, we concentrated mainly on Cd, selectively supplemented with essential element Zn. In addition to macroscopic evaluation of the effect of Cd on plant growth and development, other variables were investigated using non-destructive measuring methods, such as the intensity of photosynthesis, transpiration, stomatal conductance, and relative chlorophyll content. Using laboratory methods, the amount of accumulated Cd in different parts of plants, or the movement of other relevant cations were examined. For the identification and understanding of the involvement of various defence mechanisms in plants, the amounts of other signal substances, e.g. organic acids, phenolic compounds, thiols or antioxidant capacity (AOC) were also determined. All measurements were done depending on a variety of accompanying anions of artificially contaminated soils with Cd. During the experiments the production of plant biomass was affected, in both positive and negative direction. While the addition of HM to the nutrient medium resulted in a decrease in biomass weight of young bean, wheat and germinating Arabidopsis plants, on the contrary, the addition of Cd in cucumber caused a slight increase of biomass production. Conversely, spider plant and basket plant demonstrated a high ability to withstand the toxicity of Cd and no decrease in biomass production was observed. In this respect, the accompanying anion also appeared to be one of the important factors. Another, and equally less significant, was then plant species. The observed signs of toxicity in our experiments included leaf chlorosis, yellowing leaves or noticeable loss of pigments, or browning around the leaf veins. Greater damage was then observed in variants with accompanied Cl- anion than in variants with SO42- anion. The potential of photochemical efficiency of PSII was both inhibited and slightly strengthened. This specific effect was closely depended not only on the plant species, but also on available anions for plants. Uniform finding was the fact that increasing concentration of Cd in the medium also resulted in increasing metal concentration in plant. Identically in all plant species, Cd was the most accumulated in roots. In cucumbers and beans it was similarly over 90 %, in wheat about 60 %, in spider plant 57 %, and in basket plant 56 %. Znremained in roots in smaller quantities (about 40 – 70 % in beans and 30 – 50 % in wheat). Zn was also in moving from roots to the aboveground parts much more mobile than Cd. Signal, but also defence mechanism of salicylic acid varied at levels of roots and leaves, again depending on the plant species. Phenolic compounds showed involvement in plant defence reactions, mainly because of their capacity to bind metals. Also, an increase in antioxidant capacity, mostly in roots of spider plant and basket plant, as a reaction to elevated concentration of Cd prevents further oxidative damage of plants. The large increase in the water-soluble thiols was recorded in Arabidopsis genotypes containing carrier protein with high affinity to proline. The presence of this protein probably plays a crucial role, both in the availability of thiols, so in total resistance of plants to Cd. Finally, we showed that high levels of organic acids themselves are not the primary reason

Abstract:

for hyperaccumulation and hypertolerance to Cd. The finding that the chemical form of Cd added to the nutrient solution not only affects the level of accumulation of Cd, but also the involvement of other defence mechanisms in the form of synthesis of specific compounds, depending on the plant species, is the important result on the basis of which further studies are highly desirable.

Keywords

kadmium, zinek, fazol obecný, pšenice, okurka setá, kalisie vonná, zelenec, huseníček, kyseliny organické, látky fenolické, kapacita antioxidační, thioly, toxicita těžkých kovů, fyziologické pochody rostlin

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 10. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 14. 12. 2016
• Supervisor: doc. Ing. Jiří Tůma, CSc.
• Reader: Ivan Suchara, Daniela Pavlíková

University of Hradec Králové

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biologie / Aplikovaná biologie a ekologie