Změny v metabolismu rostlin a jejich rhizosféře jako důsledek kontaminace prostředí

Ing. Milan Novák

Disertační práce

The changes in the metabolism of plants and their rhizosphere as a result of environmental contamination

Anotace:

Cílem disertační práce bylo zhodnotit vliv půd kontaminovaných rizikovými prvky (RP) na metabolismus rostlin a na změny aktivity vybraných enzymů v kořenové zóně rostlin. Pro splnění těchto cílů byly založeny nádobové pokusy s kontrolní nekontaminovanou půdou, dvěma směsně kontaminovanými půdami a půdou kontaminovanou přídavkem As ve dvou rozdílných dávkách (20 a 100 mg As/kg půdy). Jako pokusné rostliny byly zvoleny As hyperakumulátor Pteris cretica a nehyperakumulátor Pteris straminea, ředkvička setá, mrkev setá a lupina úzkolistá. Výsledky publikovaných experimentů potvrdily významný vliv kontaminace půdy RP na aktivitu půdních enzymů podílejících se především na koloběhu N, C a S. Bylo potvrzeno markantní snížení aktivity arylsulfatázy způsobené toxicitou RP. Arylsulfatáza je považována za citlivou vůči RP a mohla by být použita jako indikátor jejich toxicity v půdě. V kořenových zónách pokusných rostlin byl vliv RP na pokles aktivity půdních enzymů většinou nižší, protože byly stimulovány uvolňováním kořenových exsudátů. Byla prokázána vysoká akumulace RP v pokusných rostlinách rostoucích v kontaminovaných půdách v porovnání s kontrolou. V mrkvi seté byly RP akumulovány primárně v kořenech a v ředkvičce seté v kořenech a bulvách. V souvislosti s tím, že jde o konzumní části zelenin, pěstování v půdě kontaminované RP znamenají potenciální riziko pro lidské zdraví při dlouhodobé konzumaci. Z výsledků je patrný vliv akumulace RP rostlinami na snížení výnosu biomasy. Také byl potvrzen vliv RP na anatomii kořenů Pteris cretica a kořenů a bulev ředkvičky seté rostoucích v půdě s aplikovaným As. Naopak u mrkve seté rostoucí ve směsné kontaminaci nebyl zjištěn vliv RP na anatomii a morfologii kořenů. V těchto kořenech byl potvrzen snížený obsah karotenoidů (o 31 %) a zvýšený obsah malondialdehydu (o 20 %) indukující oxidační stres. Zvýšený obsah malondialdehydu (o 53 %) byl také pozorován v listech, kde se stres projevil formou nekrózy. V listech mrkve seté byla prokázána změna v parametrech výměny plynů a fluorescenci chlorofylu v reakci na toxicitu RP. Naše výsledky potvrdily, že aminokyseliny hrají důležitou roli ve vazbě RP, antioxidační obraně a signalizaci u rostlin rostoucích při stresu způsobeném RP. V rostlinách došlo většinově ke snížení celkového obsahu volných aminokyselin. Akumulace volných aminokyselin v listech, jako jsou prolin, ornitin, glycin, methionin, hydroxyprolin a sarkosin, může odrážet vyšší citlivost listů na toxicitu RP ve srovnání s kořeny. Výsledky našich pokusů potvrdily významný vliv RP na obsah fytohormonů i jejich vliv na adaptaci rostlin na stres. Změny v obsazích jednotlivých fytohormonů souvisely nejen s kontaminací RP, ale i s druhem pěstované rostliny a její analyzovanou částí. Zvýšení obsahu kyseliny jasmonové v bulvách ředkvičky seté a pokles kyseliny salicylové v kořenech lupiny úzkolisté reflektoval obrannou reakci na toxicitu RP. Poměry jednotlivých aminokyselin a fytohormonů (nikoli jejich absolutní hodnoty) se zdají být určujícím faktorem pro regulaci vývoje a ochranu rostlin před oxidačním stresem.

Abstract:

The dissertation aimed to evaluate the influence of soils contaminated with risk elements (REs) on the stress metabolism of plants and changes in the activity of selected enzymes in the root zone of plants. Pot experiments were created with uncontaminated soil, two mixed contaminated soils, and soil spiked with the application of As in two different doses (20, and 100 mg As/kg soil). For experiments were used As hyperaccumulator Pteris cretica and non-hyperaccumulator Pteris straminea, radish, carrot, and narrow-leaved lupine. The results of published experiments confirmed the significant influence of RE soil contamination on the activity of soil enzymes involved mainly in the N, C, and S cycles. An expressive reduction in arylsulfatase activity caused by RE toxicity was confirmed. Arylsulfatase is considered sensitive to REs and could be used as an indicator of their toxicity in soil. In the root zones of experimental plants, the effect of REs on the decrease in enzyme activity was mostly repressed because enzyme activity was stimulated by the release of root exudates. A high accumulation of REs was proved in experimental plants growing in contaminated soils compared to the control. In carrots, REs were accumulated primarily in roots and in radish in roots and tubers. In connection with the fact that these are edible parts of vegetables, cultivation in soil contaminated with REs means a potential risk to human health during long-term consumption. The results confirmed the influence of RE accumulation by plants on the reduction of biomass yield. The influence of REs on the anatomy of Pteris cretica roots and roots and tubers of radish growing in soil with spiked As was also confirmed. On the contrary, no effect of REs on the anatomy and morphology of the roots was detected in carrots growing in mixed contamination. Reduced content of carotenoids (by 31%) and increased content of malondialdehyde (by 20%) were confirmed in these roots inducing oxidative stress. An increased content of malondialdehyde (by 53%) was also observed in leaves where RE stress manifested as necrosis. Changes in gas exchange parameters and chlorophyll fluorescence in response to RE toxicity were demonstrated in carrot leaves. Our results confirmed that amino acids play an important role in RE binding, antioxidant defense and signalling in plants exposed to RE stress. In experimental plants, the total content of free amino acids mostly decreased. The accumulation of free amino acids in leaves such as proline, ornithine, glycine, methionine, hydroxyproline, and sarcosine may reflect the higher sensitivity of leaves to RE toxicity compared to roots. The results of our experiments confirmed the significant influence of REs on the contents of phytohormones and their influence on plant adaptation to stress. Changes in the contents of individual phytohormones were related not only to RE contamination but also to the plant species and its analyzed part. The increase of jasmonic acid content in radish tubers and the decrease in salicylic acid in narrow-leaved lupine roots reflected a defense response to RE toxicity. The ratios of individual amino acids and phytohormones (not absolute values) seem to be the determining factors for the regulation of development and protection of plants against oxidative stress.

Klíčová slova

aminokyseliny, fytohormony, kořenová zóna, stres rostlin, toxické prvky

Keywords

phytohormones, root zone, plant stress, amino acids, toxic elements

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 25. 7. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. Ing. Daniela Pavlíková, CSc.
• Oponent: Tomáš Lošák, externi, Eva Pokorná, externi, Tomáš Macek, externi

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů

Doktorský studijní program:
Obecná produkce rostlinná