Role of cadmium and ultraviolet-B radiation in plants, Influence on photosynthesis and element content in two species of Brassicaceae

Abstract

Plants are exposed to many different stress factors during their lifetime, often more than one factor at a time, which highlights the importance of research regarding interaction among stress factors. Cadmium and ultraviolet-B radiation (UV-B, 280-315 nm) are two potential stress factors in the environment, which have gained increased interest due to atmospheric pollution.



In this work the interaction between Cd and UV-B radiation was investigated in two species of Brassicaceae; Brassica napus and Arabidopsis thaliana, the latter including the wild type and phytochelatin-deficient cad1-3. In both species photosynthetic parameters and element content were studied after the plants were exposed to Cd and supplemental UV-B radiation for 14 days. A separate Cd uptake study was carried out on Arabidopsis thaliana to investigate the effect of different Cd pretreatments on Cd uptake.



The experiments showed that Cd was the dominant factor, but in Brassica napus, Cd+UV-B showed some interaction effects on energy dissipation and chlorophyll ratios. Generally, Cd decreased the chlorophyll content and influenced photosynthesis by altering oxygen evolution, non-photochemical quenching and the quantum yield. Cadmium had large effects on the content of essential elements, particularly in roots, that may be due to competition during uptake. The Cd uptake study showed that the wild type contained much higher amounts of Cd than the phytochelatin-deficient cad1-3, although Cd uptake is expected to be independent of phytochelatin content. Phytochelatins chelate and transport Cd to the vacuole, thus removing Cd from the cytosol. This compartmentation may disrupt a possible feedback mechanism in the cytosol.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Alla växter utsätts för någon form av stress i sin dagliga miljö. Till exempel råder det väldigt sällan optimala tillväxtförhållanden på en åker, där ogräsen konkurrerar, insekterna knaprar, svamparna frodas och olika näringsbrister kan råda, för att inte tala om de torra somrarna. Det är alltså troligt att en växt utsätts för ett flertal stressfaktorer samtidigt, vilket belyser vikten av att i kontrollerade försök undersöka samverkan av olika stressfaktorer. Tungmetallen kadmium och ultraviolett-B strålning är två potentiella stressfaktorer, som industrialismen och befolkningsökningen med påföljande ökad livsmedelsproduktion har bidragit till.



Kadmium



Mycket kadmium tillförs åkermarken via luftföroreningar från metallindustrier, men även det alltmer intensiva utnyttjandet av åkermark har under 1900-talet lett till ett större användande av konstgödning. Den fosfatgödning som sprids på åkrarna kan innehålla höga halter av kadmium, men nu har det införts restriktioner på mängd kadmium, dock inte i alla länder. Rötslam, som också sprids på åkern, innehåller ofta höga tungmetallhalter, däribland även kadmium. Det förekommer dock naturligt höga kadmiumhalter på mark som härrör från berggrund innehållande alunskiffer, kalksten eller sandsten.



Olika växtslag tar upp olika mycket kadmium, men gemensamt för de flesta växter är att det mesta av kadmiumet fastläggs i rötterna för att skydda växtens metabolism. Det finns dock enstaka växter som lagrar stora mängder kadmium i sina blad, så kallade hyperackumulatorer. Indisk senap är ett exempel på en hyperackumulator som kan användas till att sanera tungt förorenad mark, då man efter växtsäsongen bortför växtresterna och bränner dem.



För att skydda sig mot kadmium bildar växter ett slags molekyler, fytokelatiner, som binder till kadmiumjonerna, när dessa kommit in i rotcellerna. Den form av kadmium som bildas då är oskadlig för växten och transporteras för slutförvaring i växtcellens vakuol. Vissa bakterier kan pumpa ut kadmiumet igen och på så vis skydda sig, men denna mekanism har ännu ej bevisats i växter. Ultraviolett-B strålning



Ökad mängd luftföroreningar, freoner och växthusgaser, under 1900-talet har orsakat förtunning av det mot UV-strålning skyddande ozonlagret. Ett tunnare ozonlager släpper igenom mer kortvågig, skadlig UV-strålning som i sin tur når jordytan. Vår arvsmassa, DNA, absorberar UV-strålningen, vilket kan orsaka mutationer som kan leda till ögonskador och hudcancer. DNA-skadorna lagas dock kontinuerligt med hjälp av olika enzymer, varav en del är ljusaktiverade. Växter som utsätts för onormalt höga UV-mängder kan förutom DNA-skador få nedsatt fotosyntes och ändrat växtsätt, vilket kan påverka konkurrensförhållandet mellan växter i ett växtsamhälle.



För att skydda sig bildar växterna ett slags pigment mest i översta delen av bladskiktet, som absorberar UV-strålningen och därmed effektivt skyddar underliggande delar där fotosyntesen äger rum. En del växter kan även rulla ihop sina bladkanter för att därmed minska den utsatta bladytan.



Resultat från projektet



Inverkan av kadmium och UV-B har studerats på raps, Brassica napus och backtrav, Arabidopsis thaliana, som är en modellväxt inom biologin. Det visade sig att kadmium var den dominerande faktorn i dessa försök. Växterna som utsattes för kadmium erhöll mindre rotvolym, minskat innehåll av klorofyll och förändrad fotosyntes. Något viktigt och tidigare inte så väl undersökt är att kadmium påverkar upptaget av de flesta näringsämnen, vilket är mycket intressant med tanke på växtodling. Dock varierar effekterna beroende på kadmiumkoncentration och försökslängd. Av backtraven användes både vildtyp och en mutant som inte kan bilda fytokelatiner. Kadmiumupptagsförsök med dessa båda typer visade att mutanten utan fytokelatiner tar upp mindre kadmium än vildtypen innehållande de skyddande fytokelatinerna. Detta tyder på att det finns fler skyddsmekanismer mot för hög kadmiumhalt i cellen, till exempel en utpumpningsmekanism. Målet med kadmiumforskningen vore att hitta en eventuell utpump av kadmium i växter och i så fall förädla fram växter med lågt kadmiuminnehåll lämpliga som livsmedel, ty fytokelatinerna skyddar bara växten ej människorna.

• author: Larsson Jönsson, Helene
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Moustakas, Michael, Department of Botany, Aristotle University of Thessaloniki, Greece
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Växtekologi, Plant ecology, UV-B, plant nutrients, photosynthesis, oxygen evolution, chlorophyll fluorescence, Cd uptake, cadmium, Arabidopsis thaliana, Brassica napus, Plant biochemistry, Växtbiokemi, Botany, Botanik
• pages: 86 pages
• defense location: Sölvegatan 35, Lund
• defense date: 2001-03-15 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNBDS/(nbfb-1037)1-86 (2001)
• ISBN: 91-7874-115-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Biology building (Closed 2011) (011008000)
• id: 950c5b79-3552-44bc-b68e-3255b44b115e (old id 41305)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:54:37
• date last changed: 2018-11-21 21:01:31