Molekulární mechanismy odpovědi rostlin na abiotický stres způsobený těžkými kovy

Mgr. Martin Lyčka, Ph.D.

Doctoral thesis

Molecular mechanisms of plant response to abiotic stress caused by heavy metals

Abstract:

Rostliny jsou přisedlé organismy, neschopné uniknout z nevhodných kultivačních podmínek svého bezprostředního okolí. To je aktuální v dnešním světě, který čelí mnoha výzvám a zdrojům znečitění. V naší práci jsme se zaměřili na zdroj znečištění v podobě těžkého kovu kadmia. Lidské činnosti, jako je těžba nerostných surovin, likvidace odpadů nebo hnojení fosfátovými hnojivy, vedou ke zvýšeným hladinám kadmia v zemědělských půdách. Tato kontaminace představuje hrozbu pro lidské zdraví v důsledku potenciální akumulace kadmia v potravním řetězci, ale také vede ke sníženému výnosu a kvalitě plodin, což ohrožuje lokální zdroje potravy. Hlavní téma práce bylo zaměřeno na dlouhodobý účinek environmentálně rel-evantního množství kadmia (4 μM CdCl2) na rostliny Arabidopsis thaliana a Nicotiana tabacum v kombinaci s omezeným přísunem síry (20 a 40 μM MgSO4), neboť nedostatek síry v zemědělských půdách představuje další problém, paradoxně v důsledku nedávného omezení emisí SO2. Byly provedeny dlouhodobé hydroponické experimenty zkoumající kombinaci obou stresorů u studovaných rostlin. Expozice kadmia vedla k úbytku biomasy a způsobila nerovnoměrné žloutnutí listů u A. thaliana a interveinální chlorózu v listech N. tabacum. Cd stres také ovlivnil složení rostlinných pigmentů a primární fotosyntetické procesy. Tyto změny byly závislé na přísunu síry. Nižší příjem síranů a expozice kadmiu ovlivnily i mnoho dalších para-metrů, například koncentraci solí makroživin (NO3−, PO43−, SO42−) a stav rostlinného ionomu. Prodloužená expozice kadmiu vykazovala protichůdné účinky na obsah Ca, Fe, Mn, Cu a Zn v kořenech A. thaliana ve srovnání s N. tabacum. U mnoha parametrů měly pozorované změny rozdílný efekt mezi studovanými rostlinami a N. tabacum byla více ovlivněna nedostatečným přísunem síry než A. thaliana. Kromě toho jsme ukázali, že A. thaliana udržuje pod Cd stresem hladinu fytochelatinů a glukosinolátů v organické sirné frakci na stejné úrovni i při omezeném příjmu síry. Hladina fytochelatinů v organické sirné frakci v kořeni A. thaliana nebyla rovněž negativně ovlivněna, což pouze potvrdilo nezbytnost syntézy fytochelatinů v případě, že jsou rostliny vystaveny kadmiu. Dalším cílem této disertační práce bylo porovnat toxický účinek CdCl2 a CdSO4 na vývoj semenáčků A. thaliana. Navzdory aplikaci stejné koncentrace způsoboval CdSO4 silnější inhibici růstu kořenů ve srovnání s CdCl2. Proteomická analýza poukázala na inhibici biosyntézy celulózy v důsledku působení CdSO4 jako na jeden z hlavních rozdílů mezi toxicitou těchto dvou kademnatých solí.

Abstract:

Plants are sessile organisms, unable to escape from the unsuitable conditions of their environment, that in today’s world faces numerous challenges and pollution sources. In our work, we focused on pollution caused by the heavy metal cadmium. Many anthropogenic activities, such as mining, waste disposal, or phosphate fertilization elevate levels of cadmium in agricultural soils. This threatens human health due to the potential accumulation of Cd in the food chain and affects crop yield and food quality, leading to food insecurity. The main topic of this thesis focused on the long-term effect of environmentally relevant cadmium exposure (4 μM CdCl2) on Arabidopsis thaliana and Nicotiana tabacum plants in combination with sulfur limitation (20 and 40 μM MgSO4). Limited S supply represents another emerging agricultural problem, paradoxically due to the recent mitigation of SO2 emissions. Long-term hydroponic experiments were conducted to examine combinations of both stressors in studied plants. Cadmium exposure decreased plant biomass accompanied by non-uniform yellowing of A. thaliana leaves and interveinal chlorosis in leaves of N. tabacum. Cd stress affected plant pigments compositions and primary photosynthetic processes. These changes were dependent on S supply. Lower sulfate intake and cadmium exposure also influenced many other measured parameters, e.g., the concentration of macronutrient salts (NO3−, PO43−, SO42−) and plant ionome status. Prolonged cadmium exposure showed opposing effects on Ca, Fe, Mn, Cu, and Zn contents in A. thaliana roots compared to N. tabacum. In many instances, observed changes had divergent effects between the studied plants, and N. tabacum was more affected by sulfur deprivation than A. thaliana. Additionally, we showed that A. thaliana maintained levels of phytochelatins and glucosinolates in the organic sulfur fraction in shoot under Cd stress, even under limited sulfate intake. The levels of phytochelatins in A. thaliana root in the organic sulfur fraction were also not negatively affected, which only confirmed the essentiality of phytochelatin synthesis for plants under Cd stress. In the next part of this dissertation, differing toxicity effects of CdCl2 and CdSO4 on the development of A. thaliana seedlings were described. Despite the application of the same concentration, CdSO4 caused more severe inhibition of root growth compared to the CdCl2 treatment. Proteomic analysis pointed to the inhibition of cellulose biosynthesis in CdSO4 treatment as one of the main toxicity differences between these two cadmium salts.

Keywords

cadmium, heavy metals, sulfate, Arabidopsis, Nicotiana, phytochelatins, abiotic stress, kadmium, těžké kovy, sulfát, fytochelatiny, abiotický stres

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2023
• Supervisor: doc. Mgr. Miloslava Fojtová, CSc.
• Reader: prof. RNDr. Břetislav Brzobohatý, CSc., Dr. Sònia Garcia

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Genomics and Proteomics / Genomics and Proteomics