Analiza zmian biochemiczno - strukturalnych rejestrowanych pomiędzy wrażliwymi i tolerancyjnymi odmianami zbóż pod wpływem toksyczności jonów Mn

Abstract

Mangan jako mikroelement niezbędny dla roślin bierze udział w procesach metabolicznych, głównie w fazie jasnej fotosyntezy oraz służy jako kofaktor w wielu enzymach. W środowisku naturalnym występują liczne związki manganu, a jego zawartość jest zróżnicowana w zależności od regionu i rodzaju gleby. W wyniku antropopresji m.in. przez działania przemysłowe oraz stosowanie nawozów zawierających Mn stężenie tego pierwiastka w środowisku stale rośnie co może prowadzić do jego nadmiernego pobierania i akumulacji w roślinach, wywołując zmiany zarówno morfologiczne jak i anatomiczne. Objawy wynikające z nadmiernej akumulacji Mn różnią się w zależności od gatunku i odmiany rośliny, a różnice w tolerancji/wrażliwości roślin są następstwem uruchomienia odmiennych reakcji mających na celu przystosowanie się do toksycznej koncentracji Mn. Dynamicznie zmieniające się warunki środowiskowe, w tym zwiększone stężenia metali ciężkich w glebie, ukierunkowały działania naukowe na poszukiwanie naturalnych związków ochronnych roślin zwiększających zarówno jakość jak i ilość uzyskanych plonów. Dlatego wykorzystując potencjał roślin do akumulacji selenu (Se), zastosowałam ten niezbędny w zbilansowanej w diecie człowieka mikroelement jako potencjalny związek protekcyjny mający zdolność do stymulacji mechanizmów ochronnych komórek. Zwiększenie stężenia wybranych związków Se w produktach pochodzenia roślinnego pozwoli nie tylko stymulować rozwój roślin oraz ich adaptację do stresu oksydacyjnego, ale jednocześnie może przyczynić się do uzupełnienia niedoboru tego pierwiastka w organizmie człowieka. W tym celu do badań wykorzystałam ziarna zbóż ważnych agronomicznie: pszenicy, jęczmienia i owsa (odmiany jare, wytypowane jako tolerancyjne i wrażliwe). Nasiona kiełkowano z wykorzystaniem roztworów zawierających 5 i 10 mM MnCl2, aby zbadać zdolność do akumulacji Mn przez wybrane gatunki i odmiany. Wyższy procent pobierania Mn był odnotowany w owsie, w porównaniu do pszenicy i jęczmienia, a odmiany wrażliwe gromadziły większe ilości tego pierwiastka w stosunku do tolerancyjnych. Podwyższona akumulacja Mn indukowała stres oksydacyjny w siewkach zbóż przejawiający się wzrostem aktywności enzymów antyoksydacyjnych (SOD, POX i CAT), podwyższonym poziomem SA, GSH oraz proliny, a także zmianą aktywności enzymów syntezy/degradacji proliny i wzrostem stężenia cukrów. Przeprowadzone badania pozwoliły uszeregować badane zboża pod względem tolerancji na Mn w kolejności: pszenica>jęczmień>owies. Do bardziej szczegółowych analiz wytypowano pszenicę jako najbardziej odporną wśród analizowanych zbóż. Siewki pozyskano z hodowli hydroponicznej hodowanej do stadium trzeciego liścia. Mn zastosowany w toksycznej dawce (10 mM MnCl2) powodował wzrost peroksydacji lipidów i poziomu nadtlenku wodoru zarówno w liściach jak i korzeniach. Tym zmianom towarzyszyło zwiększone wchłanianie tego pierwiastka przez korzenie oraz zmniejszone pobieranie innych pierwiastków (K, Fe, S, P), z wyjątkiem Ca, którego wzrost zaobserwowano zwłaszcza w obecności Se. Sugerowano, że wzrost poziomu Ca może prowadzić do modyfikacji różnicowania komórek korzeniowych, co może stanowić jeden z etapów reakcji odpornościowych. Zmianie kierunku różnicowania komórek w wierzchołkowej części korzenia pod wpływem stresu Mn towarzyszył wzrost stężenia 5-metC. Nadmiar Mn może również zmieniać poziomy substancji odpowiedzialnych za regulację komórkowego potencjału osmotycznego (proliny), aktywność głównych enzymów odpowiedzialnych za syntezę tego aminokwasu P5CS, OAT i jej rozkładu PHD. Wykryto również zmiany w aktywacji komórkowych mechanizmów ochronnych. W wyniku przeprowadzonych analiz potwierdzono, że selen może łagodzić skutki toksycznego stężenia Mn i może stanowić alternatywę do stosowania chemicznych środków ochrony roślin.

For plants, manganese is an essential element for proper growth and development, it takes part in metabolic processes, mainly in the phase of bright photosynthesis, and serves as an enzymes’ cofactor. In natural environment, Mn is widespread, and its content varies by region and the type of soil. As a result of anthropopressure, including industrial activities and the use of fertilizers containing Mn, concentration of this element is constantly increasing, which can lead to excessive uptake of accumulation in plants causing both morphological and anatomical changes. The symptoms of its over-accumulation vary depending on plant species and cultivars, and differences in plant tolerance / sensitivity are triggered by activation of diverse reactions to adapt to the toxic concentration of Mn. Dynamically changing environmental conditions, including increased concentrations of heavy metals in the soil, directed scientific efforts to search for natural plant protective compounds to enhance both quality and quantity of the obtained crops. Therefore, using the potential of plants to accumulate selenium (Se), I applied this micronutrient, vital for a balanced diet, as a potential protective compound capable of stimulating cells’ protective mechanisms. Increasing the concentration of selected Se compounds in products of plant origin will not only stimulate the growth of plants and their adaptation to oxidative stress, but it can also contribute to replenishing the deficiency of this element in the human body. I used the grains of agronomically important cereals: wheat, barley and oats (spring cultivars, selected as tolerant and sensitive) for this purpose. Seeds were germinated on solutions containing 5 and 10 mM MnCl2 to test the ability to accumulate Mn by selected species and cultivars. Higher percentage of Mn uptake was recorded in oats compared to wheat and barley, and sensitive cultivars accumulated a greater amount of this element than the tolerant ones. Elevated Mn accumulation induced oxidative stress in cereal seedlings manifested in an increase in the activity of antioxidant enzymes (SOD, POX and CAT), increased levels of SA GSH and proline, as well as a change in activity of enzymes responsible for synthesis and degradation of proline and increased sugar concentration. Research results allowed to rank the tested cereals in terms of their tolerance to Mn in the following order: wheat >barley >oats. Wheat was selected as the most resistant one from the analyzed cereals. The seedlings were obtained from hydroponic culture grown for third leaf stage. Mn applied in a toxic dose (10 mM MnCl2) caused an increase in lipid peroxidation and the level of hydrogen peroxide in both leaves and roots. These changes were accompanied by a rised absorption of this element by roots and a reduced uptake of other elements (K, Fe, S, P), except for Ca, the increase of which was observed especially in the presence of Se. This suggests that an enhance in Ca levels may lead to modification of differentiation of root cells, which may be one of the stages of defense mechanisms. Changing the direction of diversifying cells in the apical part of the root under the Mn stress were accompanied by the growth of 5-metC concentration. An excess of Mn can also alter the levels of the substances responsible for regulating cellular osmotic potential (proline), activity of the main enzymes responsible for the synthesis of this amino acid P5CS, OAT and its PHD decomposition. Changes in cellular activation of protective mechanisms were also detected. As a result, of the analyzes, it was confirmed that selenium can mitigate the effects of toxic levels of Mn and may be an alternative to chemical protection agents in plants.