Hodnocení citlivosti odrůd bramboru ke kontaminaci kadmiem a kobaltem in vitro

Bc. Adéla Kubásková

Master's thesis

Evaluation of susceptibility of potato varieties to cadmium and cobalt in vitro.

Abstract:

Kadmium je jedním z těžkých kovů, jehož výskyt a obsah se v posledních letech zvyšuje nejen na zemědělských půdách. Jeho toxicita se odvíjí od druhu a odrůdy pěstovaných plodin a jako samotný prvek nemá žádné přínosné biologické účinky v tělech rostlin. Naproti tomu kobalt je také těžký kov, ale zároveň je jedním z esenciálních mikroprvků pro rostliny, který dokáže ovlivnit řadu biologických funkcí v těle rostlin a účastní se několika životně důležitých procesů. I přesto, že je pro rostliny důležitý a jeho přítomnost v půdě dokáže výrazně zvýšit fungování rostlinného těla, ve vyšších koncentracích může působit stejně jako kadmium toxicky a může mít jeho nadbytek v půdách fatální účinky. Jeho výskyt je každým rokem vyšší, a to především vlivem antropogenní činnosti a rozvoji průmyslu. Vliv obou prvků lze sledovat nejen v polních podmínkách a pokusech, ale také i v laboratorních podmínkách, které umožňují experimentální podmínky pro růst a homogenní prostředí. Tato práce se specializovala na vlivy různých koncentrací kadmia a kobaltu, jakožto dvou těžkých kovů na růst několika odrůd rostlin bramboru. Byl zkoumán vliv koncentrace daného prvku na růst a vývoj rostlin, jejich jednotlivých částí a následné tvorby sušiny. Tento pokus byl proveden v kulturách in vitro a všechny testované odrůdy byly vystaveny stupňujícím se koncentracím kadmia a kobaltu v médiích. Pokus byl založen na 6 odrůdách Solanum tuberosum L. a celkově bylo zkoumáno 240 rostlin, které byly pěstovány z axiálních pupenů. Bylo použito celkem 8 druhů médií, na nichž se stupňovala koncentrace sledovaných prvků. 4 média byla použita na pokus s kadmiem a další 4 média byla použita na pokus s kobaltem. Koncentrace prvků v médiích byly 0, 1, 10 a 50 ppm. Každý týden po dobu jednoho měsíce byl hodnocen přírůstek nadzemního stonku, počet kořenů a průměrná délka jednoho kořene. Po jednom měsíci byly rostliny hodnoceny z hlediska hmotnosti čerstvé biomasy, suché biomasy a sušiny. Získaná data byla vyhodnocena pomocí vícefaktorové analýzy rozptylu (ANOVA) v programu Statistica. Zhodnocením pokusu bylo dokázáno, že jednotlivé odrůdy různě reagovaly na stupeň toxicity daného prvku a existovaly v jejich růstu a tvorbě sušiny statisticky významné rozdíly. Další statisticky významné rozdíly pocházely zejména z míry kontaminace médií jednotlivými těžkými kovy. Již u médií s 1 ppm Cd, oproti médiím s 0 ppm Cd, byly pozorovány velké negativní změny v růstu jednotlivých rostlin. Naopak ve srovnání médií 0 a 1 ppm Co nebyly pozorovatelné významné statistické rozdíly. V médiích s koncentrací 10 ppm Cd/Co už existovaly u obou pokusů velmi významné negativní statistické rozdíly v růstu rostlin a tvorbě sušiny. Rostliny měly znatelně inhibovaný růst, ale ve výsledku bylo zjištěno, že i tyto rostliny tvořily značnou část sušiny. V médiích s 50 ppm Cd/Co žádné rostliny už nerostly a tvorba biomasy byla tedy nulová. Výsledky z tohoto pokusu lze použít k budoucím poznatkům pro šlechtitele rostlin, kteří by řešili odolnost jednotlivých druhů a odrůd vhodných na kontaminovaná místa těžkými kovy.

Abstract:

Cadmium is one of the heavy metals that has been increasing in recent years not only in agricultural soils. Cadmium toxicity depends on the type and variety of crops grown and as an element itself, it has no beneficial biological effects in plants. Cobalt is also a heavy metal, but it is an essential microelement for plants, which may influence several biological functions in the plant body and is involved in several important processes. Although cobalt is important for plants and can significantly increase the functioning, yet in higher concentrations it can be toxic like cadmium. Cobalt may have fatal effects in higher concentration. Cobalt presence is higher every year, mainly due to anthropogenic activities and industrial development. The effects of both elements can be observed not only in natural conditions and experiments but also in laboratory conditions that allow experimental conditions for growth and homogeneous conditions. This thesis is focused on the effects of different concentration of cadmium and cobalt on the growth of several potato plant varieties. The effect of elements’ concentration was analyzed on the growth and development of plants, their parts, and subsequent dry matter production. This experiment was performed on in vitro cultures and all the tested varieties were exposed to increasing concentration of cadmium and cobalt in the media. The experiment was based on 6 varieties of Solanum tuberosum L. and a total of 240 plants were tested and grown from axial buds. 8 types of media were used on which the concentration of the elements of interest was graded on. 4 media were used for the cadmium experiment and another 4 media were used for the cobalt experiment. The concentration of the elements in the media were 0, 1, 10, and 50 ppm. Each week for one month, the growth of the stem, the number of roots, and the average length of one root were evaluated. After one month, plants were ranked for fresh biomass, dry biomass, and dry weight. The collected data was analyzed using multivariate analysis of variance (ANOVA) in Statistica software. The results of this experiment shows, that the different varieties reacted differently to the different levels of toxicity of the element. There were statistically significant differences in their growth and dry matter production. Other statistically significant differences were found in the level of contamination media by the individual heavy metals. For media with 1 ppm Cd, compared to media with 0 ppm Cd were observed large negative changes in the growth of individual plants. In contrast, no significant statistical differences were observed in the comparison of 0 and 1 ppm Co in media. In media with concentration 10 ppm Cd/Co, there were already high negative significant statistical differences in plant growth and dry matter production. The plants had noticeably inhibited growth, but as a result, it was found that these plants also formed a significant amount of dry matter. In media with 50 ppm Cd/Co no plants grew anymore, and biomass formation was therefore zero. The results from this experiment may be used to provide future insights for plant breeders dealing with the resistance of species and varieties suitable for heavy metal-contaminated sites.

Keywords

odrůdy brambor, těžké kovy, kadmium, kobalt, kontaminace půd

Keywords

potato varieties, heavy metals, cadmium, cobalt, soil contamination

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 16. 5. 2023
• Supervisor: Ing. Petr Sedlák, Ph.D.
• Reader: Vendulka Horáčková, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / specializace:
Biotechnology / Biotechnology and Plant Breeding