Effects of heavy metals, copper and zinc on growth of Arabidopsis thaliana ((L.Heynh.) seedlings

Metale ciężkie, takie jak cynk i miedź są niezbędne do prawidłowego przebiegu wielu procesów metabolicznych roślin, ale w wysokich stężeniach są silnie toksyczne. Efekt jaki wywierają na komórki roślinne zależy nie tylko od stężenia, ale także formy chemicznej metalu oraz stanu fizjologicznego rośliny. Wynikiem toksycznego działania cynku i miedzi jest najczęściej zahamowanie wzrostu, spadek biomasy i silny stres oksydacyjny. W pewnych warunkach, metale ciężkie mogą powodować zjawisko hormezy, objawiające się stymulacją wzrostu i rozwoju rośliny. Celem pracy było określenie wpływu wybranych stężeń cynku i miedzi na wzrost siewek modelowej rośliny Arabidopsis thaliana w warunkach kultury in vitro. Cel zrealizowano prowadząc hodowlę in vitro siewek na pożywkach z dodatkiem 5 µM miedzi, 150 µM cynku i kontrolnej (bez metali). Stwierdzono, że w miedź w testowanym stężeniu nie wpływa na masę siewek, hamuje jednak ich wzrost, a także indukuje chlorozy oraz nadprodukcję nadtlenku wodoru (H2O2), głównie w rejonach merystematycznych korzeni. Przeciwnie, siewki hodowane na pożywce z cynkiem miały długość większą niż te z pożywki z miedzią i porównywalną do siewek hodowanych na pożywce bez metalu. Również masa siewek z pożywki z cynkiem była wyższa od masy siewek z pożywki z miedzią, a także wyższa od siewek z pożywki bez metalu. Barwienie histochemiczne wykazało w rejonie merystematycznym korzeni i hipokotyla gromadzenie H2O2 w odpowiedzi na obecne w pożywce jony Zn2+, przy czym intensywność zabarwienia tkanek była podobna do tego obserwowanego w materiale z pożywki zawierającej miedź. Zarówno w przypadku siewek hodowanych na pożywce z miedzią jak i cynkiem stwierdzono akumulację metali w tkankach, co wskazuje, że obydwa testowane metale były pobierane z pożywki, a obserwowane efekty fizjologiczne były prawdopodobnie wynikiem bezpośredniego oddziaływania w środowisku komórkowym. Uzyskane dane morfometryczne sugerują toksyczny efekt działania jonów miedzi na wzrost siewek w badanym układzie eksperymentalnym oraz prawdopodobną hormezę przy testowanym stężeniu cynku.

Copper and zinc are heavy metals which play an important role in different metabolic pathways in plants. They are toxic at high concentration. The effect of heavy metals on plant cells depend on concentration, chemical form and also physiological condition of plant. Heavy metals are known to inhibit plant growth and differentiation and induce strong oxidative stress. However, heavy metals may cause hormesis under special conditions. Hormesis is a stimulation of growth and development of plant. The aim of this study was to determine the effect of copper and zinc on in vitro growth of seedlings of a model plant Arabidopsis thaliana. Seedlings were cultured on media containing 5 µM CuSO4, 150 µM ZnSO4 or on medium without metals. It was shown that copper did not affect seedling weight, but inhibited seedling growth, induced chlorosis and stimulated production of hydrogen peroxide (H2O2) especially in meristematic regions. The seedlings maintained on medium supplemented with zinc were longer and heavier than those exposed to copper, but their length was comparable to the seedlings from the medium lacking metals. Histochemical staining showed accumulation of H2O2 in root meristem and within hypocotyl and the intensity of staining was similar to those found in seedlings maintained on copper-containing medium. It was revealed that both zinc and cooper were taken up from the media and accumulated in seedling cells. In summary, the results obtained in the experiments suggest toxic effect of 5 µM of cooper on seedling growth and possible hormesis at 150 µM of zinc. High accumulation of zinc and cooper in seedling cells indicates that physiological effects of metals resulted from direct action in cellular environment.