Morfologicko-anatomická studie kořenů rostlin rostoucích v prostředí s léčivy

Mgr. Lucie Svobodníková, Ph.D.

Doctoral thesis

Morphological-anatomical study of roots of plants growing in environment contaminated with pharmaceuticals

Abstract:

Nesteroidní protizánětlivá léčiva jsou jedna z nejpoužívanějších skupin humánních a veterinárních léčiv. Vzhledem k nedostatečné efektivitě jejich odstranění z odpadních vod se stávají běžnou součástí znečištění vodního prostředí. Jejich vliv na necílové organismy, rostliny, doposud nebyl zcela prozkoumán. Je známo, že rostliny jsou schopny léčiva přijímat, akumulovat, transportovat a transformovat. Doposud však nebyly dostatečně prostudovány změny, které léčiva u rostlin vyvolávají, včetně toho, zda se rostliny mohou jejich působení alespoň do jisté míry bránit. Cílem práce bylo posoudit změny v morfologii a anatomii kořenů v odezvě na vybraný stresový faktor, léčiva. Z výsledků provedených studií je zřejmé, že naproxen a produkty jeho transformace (především konjugáty s glukózou, malonovou kyselinou a s glutaminem a také jeho metylované formy) způsobily změny v architektuře kořenů. Při všech zatíženích (0,1-0,5-1-10 mg/L) naproxen negativně ovlivnil tvorbu laterálních kořenů, čímž se snížila absorpční plocha kořenového systému. Také bylo zjištěno navýšení podílu xylému ve stélé primárního kořene, které může souviset se snahou navýšit jeho transportní kapacitu. Redukce růstu kořenů a dřívější diferenciace pletiv včetně strukturních bariér (Casparyho proužky, suberinová lamela) pod vlivem vyššího zatížení naproxenu může souviset i se zvýšením hladin fytohormonů (auxin a kyselina abscisová), indukcí oxidativního stresu, limitací protektivních mechanismů a narušením semipermeability buněčných membrán. Při nižším environmentálním zatížení u rostlin hrachu byly vytvářeny delší a tenčí kořeny, a díky aktivaci protektivních mechanismů (zvýšení antioxidační kapacity, antioxidačních enzymů), včasnějšímu formování Casparyho proužků a zvýšené hladině kyseliny abscisové byly rostliny schopny se do jisté míry bránit toxickým účinkům léčiva.

Abstract:

Nonsteroidal anti-inflammatory drugs are one of the most used groups of human and veterinary pharmaceuticals. Because of their inefficient removal from wastewater, they become a common part of aquatic environment pollution. It is well known that plants are able to take up, accumulate, transport, and transform pharmaceuticals. However, the changes that pharmaceuticals cause in plants have not been sufficiently studied till now, including whether plants can somehow defend themselves against their effects. The work aimed to assess changes in the morphology and anatomy of the roots in response to a selected stress factor, pharmaceuticals. It is evident from the results that naproxen and the products of its transformation (main conjugates with glucose, malonic acid, and glutamine, as well as its methylated forms) caused changes in the architecture of the roots. Naproxen under all treatments (0,1-0,5-1-10 mg/L) negatively affected the lateral root formation, thereby reducing the absorptive surface of the root system. An increase in the proportion of xylem in the primary root stele was also found, which could be related to the effort to increase its transport capacity. Reduction of root growth and earlier tissue differentiation, including structural barriers (Casparian strips, suberin lamellae), under the higher naproxen loading can be related to increased phytohormones level (auxin and abscisic acid), induction of oxidative stress, limitation of protective mechanisms, and disruption of the cell membranes semipermeability. Under lower environmental loading, pea plants formed longer and thinner roots, and due to the activation of protective mechanisms (increased antioxidant capacity, antioxidative enzymes), earlier formation of Casparian strips, and increased abscisic acid levels, they were able to resist to some extent the toxic effects of the drugs.

Keywords

léčiva, NSAID, naproxen, hrách, kořen, morfologie, anatomie, růstová analýza, oxidativní stres, antioxidační ochrana, Casparyho proužek, suberinová lamela, auxin, kyselina abscisová

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 12. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 10. 3. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Marie Kummerová, CSc.
• Reader: prof. RNDr. Ladislav Havel, CSc., prof. RNDr. Alexander Lux, CSc., RNDr. Aleš Soukup, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Plant Anatomy and Physiology / Plant Physiology and Anatomy