Změny v metabolismu dusíku v rostlině jako důsledek jejího růstu na kontaminované půdě

Bc. Tereza Podmanická

Master's thesis

The Changes in Nitrogen Metabolism in Plant as a Result of its Growth on Contaminated Soil

Abstract:

Cílem této diplomové práce bylo hodnocení vlivu rostoucího obsahu arsenu v půdě na dusíkatý metabolismus v rostlině a půdní charakteristiky. Byly formulovány dvě hypotézy: (1) S nárůstem kontaminace půdy As se mění aktivita nitrátreduktázy v rhizosféře rostlin; (2) Důsledkem kontaminace půdy je oxidační stres rostliny, který se projeví snížením využití přijatého dusíku (hromadění nitrátů v rostlině, změny ve složení aminokyselin). Pro splnění cílů práce byly provedeny analýzy rostlin na obsah arsenu, celkového dusíku, nitrátového dusíku a glutaminu. Na základě půdních rozborů okolní půdy a rhizosféry byly stanoveny obsahy vodorozpustného arsenu, organického uhlíku, nitrátového dusíku a aktivita nitrátreduktázy. Byl založen nádobový pokus s modelovými rostlinami rodu Pteris – P. cretica Albo-lineata, P. cretica Parkerii a P. straminea, přičemž rostliny P. cretica jsou považovány za hyperakumulátory As. Celkem byly hodnoceny 4 varianty – kontrola bez kontaminace (As0), varianty s přídavkem As do půdy 20 (As1), 100 (As2), 250 (As3) mg As/kg půdy. V této práci byl vyhodnocen 3. odběr po 180 (150) dnech vegetace ve dvou opakováních. Výjimkou je varianta As3 u P. straminea, poněvadž došlo k úhynu rostliny vlivem vysoké toxické hladiny As. Tento pokus potvrdil, že s nárůstem As v půdě se zvýšil obsah As v rostlinách, v jehož důsledku došlo k hromadění nitrátů a celkového dusíku v rostlině. Tyto výsledky byly signifikantní u všech rostlin. Toxická hladina As v rostlinách způsobila změny v asimilaci dusíku do aminokyselin, které se projevily zvýšeným obsahem glutaminu, jenž slouží jako stresový marker. U P. cretica Albo-lineata na variantě As3 byl nárůst glutaminu oproti kontrole o 354 %. Schopnost hyperakumulovat As byla potvrzena pouze u P. cretica Albo-lineata s nejvyšším detekovaným obsahem – 6 444 mg As/kg sušiny (As3). Na kontaminované půdě byla stanovena aktivita nitrátreduktázy, která vykazovala výrazný klesající trend s narůstajícím obsahem As u všech rostlin, přičemž v okolní půdě činnost toho enzymu byla inhibována výrazněji než v rhizosféře. Na základě těchto výsledků byly obě stanovené hypotézy potvrzeny. Jedinečnost této práce dokládá skutečnost, že ostatní autoři sledovali některé z charakteristik v krátkodobých pokusech nejčastěji v hydroponiích. Tento pokus byl však založen za přirozenějších podmínek a měl dlouhodobý charakter, proto může mít prokazatelnější výsledky. Tyto výstupy mohou být použity pro další výzkum v oblasti fytoremediace.

Abstract:

The aim of this diploma thesis was to evaluate the effect of the increasing arsenic content in soil on the plant's nitrogen metabolism and soil characteristics. The following two hypothesis were formulated: (1) The activity of the nitrate reductase in the plant's rhizosphere changes with the increase of As contaminated soil; (2) The result of soil contamination is oxidation stress on the plant, which is seen by an decrease in the utilization of nitrogen accepted (accumulation of nitrates in the plant, a change in the composition of amino acids). To achieve the aim of this thesis, the plants were analyzed for arsenic content, total nitrogen, nitrate nitrogen and glutamine. Based on the analysis of the bulk soil and rhizosphere, the watersoluble arsenic, organic carbon, nitrate nitrogen and nitrate reductase activity were defined. A pot experiment with Pteris ferns – P. cretica Albo-lineata, P. cretica Parkerii and P. straminea was created, where P. cretica plants were considered to be As hyperaccumulators. Four treatments were evaluated in total – control without contamination (As0), As spiked to soil 20 (As1), 100 (As2), 250 (As3) mg As/kg sample soil. This thesis evaluated the third sampling after 180 (150) days of vegetation in two repetitions. The As3 at P. straminea option is an exception because the plant died as a result of a high toxic level of As. This experiment confirmed that increasing As content in the soil, increased the As content in the plants, resulting in the accumulation of nitrates and total nitrogen in the plant. These results were significant in all plants. The As toxicity in the plants caused changes in the assimilation of nitrogen into amino acids. These changes were reflected in higher content of glutamine, which serves as a stress marker. The As3 treatment of P. cretica Albo-lineata resulted in a 354% increase in glutamine compared to the control. The ability to hyperaccumulate As was only confirmed in P. cretica Albo-lineata with the highest detectable content – 6,444 mg As/kg dry mass (As3). The nitrate reductase activity was determined in the contaminated soil, which showed a significantly decreasing trend with the increasing As content of As for all plants, where the activity of this enzyme was significantly inhibited in the bulk soil than in the rhizosphere. Based on these results, both of the defined hypotheses were confirmed. The uniqueness of this work is demonstrated by the fact that the other authors observed some of the characteristics in short-term experiments, most often in hydroponics. However, this experiment was long-term and ferns were cultivated in soil, therefore, our results are significant and may be used for further research in the area of phytoremediation.

Keywords

dusík, arsen, toxicita, Pteris, stres

Keywords

nitrogen, arsenic, toxicity, Pteris, stress

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Daniela Pavlíková, CSc.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Crop Science / Crop Science