Unveiling how cadmium and manganeseinteract spatio-temporally during sunflower plants development | Revelando como o cádmio e o manganês interagem espaço-temporalmente durante o desenvolvimento das plantas de girassol

Due to the increase in industrial activities, environmental pollution has grown exponentially in recent decades. This fact is directly associated with the exposure of ecosystems to high concentrations of trace elements. Tolerant plants used in the phytoremediation of contaminated environments have become an excellent economic option for the remediation of these areas. Sunflower (Helianthus annuus L.) is a plant with high hyperaccumulator potential due to its ability to resist different soil and climate conditions, accumulate high concentrations of trace elements and high biomass production. Although phytoremediation plants are known for their mechanisms of tolerance to high concentrations of trace elements, the increase of these elements in different plant tissues can promote morphophysiological and biochemical changes, thus modifying the growth and development of these species. Thus, this work aims to understand how sunflower plants deal with the joint disposition of the non-essential element cadmium (Cd) and the essential element manganese (Mn) in high concentrations in the soil, as well as the response mechanisms related to this interaction and how they affect the synthesis of metabolites and photoassimilates. For this, the plants were cultivated under six conditions: control (T1); 1.3 mg. Kg-1 of Cd (T2); 5 mg. Kg-1 of Cd (T3); 400 mg.Kg-1 of Mn (T4); 1.3 mg.Kg-1 of Cd and 400 mg.Kg-1 of Mn (T5); 5 mg.Kg-1 of Cd and 400 mg.Kg-1 of Mn (T6). Biochemical and photosynthetic parameters and chlorophyll a fluorescence were evaluated in the vegetative and reproductive phases (stages V4, V8, R4 and R7, according to the BBCH phenological scale). At the end, the biomass, oil content of achenes and concentrations of Cd, Mn and P in soil, roots, leaves and achenes were quantified. The bioaccumulation potential, translocation rate and element tolerance were also calculated. It is possible to infer that sunflower is tolerant to the evaluated concentrations of Cd, which accumulate mostly in the roots as a mechanism of tolerance and stress relief. When placed together in the soil, the plant was able to tolerate Cd and Mn in both concentrations evaluated. In these situations, the responses to the stressful condition are related to metabolic adjustments, without significant damage to the photosynthetic apparatus. In addition, Mn enhances Cd extraction and Cd negatively affects Mn uptake. Contrary to what occurs in other species, Cd did not interfere with the absorption of the essential element phosphorus (P). Changes in photosynthetic metabolism were observed at high Mn concentration with reduction in CO2 assimilation rate, stomatal conductance and Ci/Ca ratio. Interestingly, Cd concentrations did not cause photosynthetic changes, but, when available together with Mn, photosynthetic rates, stomatal conductance and Ci/Ca increased as an adjustment mechanism. These events directly affected the total dry matter and root/shoot ratio, with treatment containing 400 Mn presenting the lowest values, followed by the treatments containing Cd and Mn. There was also a delay in development in plants grown in 400Mn and with the joint disposition of Cd and Mn, mainly in the reproductive period, although all plants have completed the biocycle.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)

Devido ao aumento das atividades industriais, a poluição ambiental tem crescido exponencialmente nas últimas décadas. Este fato está diretamente associado à exposição os ecossistemas a altas concentrações de oligoelementos. Plantas tolerantes utilizadas na fitorremediação de ambientes contaminados tornaram-se uma excelente opção econômica para a remediação destas áreas. O girassol (Helianthus annuus L.) é uma planta com alto potencial hiperacumulador devido à sua capacidade de resistir a diferentes condições edafoclimáticas, acumular altas concentrações de elementos traços e à alta produção de biomassa. Embora as plantas fitorremediadoras sejam conhecidas por seus mecanismos de tolerância a concentrações elevadas de oligoelementos, o aumento destes elementos nos diferentes tecidos vegetais pode promover alterações morfofisiológicas e bioquímicas, modificando assim o crescimento e desenvolvimento dessas espécies. Assim, este trabalho visa entender como as plantas de girassol lidam com a disposição conjunta do elemento não essencial cádmio (Cd) e do elemento essencial manganês (Mn) em altas concentrações no solo, bem como os mecanismos de resposta relacionados a essa interação e como eles afetam a síntese de metabólitos e fotoassimilados. Para isso, as plantas foram cultivadas em seis condições: testemunha (T1); 1,3 mg. Kg-1 de Cd (T2); 5mg. Kg-1 de Cd (T3); 400 mg.Kg-1 de Mn (T4); 1,3 mg.Kg-1 de Cd e 400 mg.Kg-1 de Mn (T5); 5 mg.Kg-1 de Cd e 400 mg.Kg-1 de Mn (T6). Parâmetros bioquímicos, fotossintéticos e a fluorescência da clorofila a foram avaliados nas fases vegetativa e reprodutiva (estágios V4, V8, R4 e R7, de acordo com a escala fenológica BBCH). Ao final, foram quantificadas a biomassa, teor de óleo de aquênios e as concentrações de Cd, Mn e P no solo, raiz, folhas e aquênios. O potencial de bioacumulação, taxa de translocação e tolerância do elemento também foram calculados. É possível inferir que o girassol é tolerante às concentrações avaliadas de Cd, que se acumulam majoritariamente nas raízes como mecanismo de tolerância e alívio do estresse. Quando dispostos de maneira conjunta no solo, a planta foi capaz de tolerar Cd e Mn em ambas as concentrações avaliadas. Nessas situações, as respostas à condição estressante estão relacionadas a ajustes metabólicos, sem prejuízo significativo ao aparelho fotossintético. Além disso, o Mn aumenta a extração de Cd e este afeta negativamente à absorção de Mn. Ao contrário do que ocorre em outras espécies, o Cd não interferiu na absorção do elemento essencial fósforo (P). Alterações no metabolismo fotossintético foram observadas em altas concentrações de Mn com redução na taxa de assimilação de CO2, condutância estomática e relação Ci/Ca. Curiosamente, as concentrações de Cd não causaram alterações fotossintéticas, mas, quando disponíveis em conjunto com o Mn, as taxas fotossintéticas, condutância estomática e Ci/Ca aumentaram como mecanismo de ajuste. Esses eventos afetaram diretamente a matéria seca total e razão raiz/parte aérea, com o tratamento contendo 400 Mn apresentando os menores valores, seguido pelos tratamentos contendo Cd e Mn. Também houve atraso no desenvolvimento em plantas cultivadas em 400Mn e com disposição conjunta de Cd e Mn, principalmente no período reprodutivo, embora todas as plantas tenham completado o biociclo.