Respostas fisiológicas e bioquímicas de duas cultivares de batata (solanum tuberosum l.) expostas ao cádmio | Physiological and biochemical responses of two potato cultivars (solanum tuberosum l.) exposed to cadmium

In much agricultural farmland, cadmium (Cd) concentrations are above the natural levels mainly due to anthropogenic actions such as metal liberation from industrial and agricultural sources. Therefore, it is necessary to study the toxicity and accumulation of this metal in plants used as food sources such as the potato (Solanum tuberosum L.). This study was carried out with the objective of identifying and characterizing physiologic and biochemical aspects of Cd toxicity such as growth analysis, mineral nutrient content and oxidative stress of two potato cultivars, Asterix and Macaca. The in vitro plantlets were exposed to five concentrations of Cd (0, 100, 200, 300, 400 and 500 μM) for 22 days to evaluate the effects on growth parameters and mineral nutrition. In the hydroponic system, the plantlets were exposed to four concentrations of Cd (0, 50, 100, 150 e 200 μM) for 7 days to evaluate the effects on growth parameters, mineral nutrition and oxidative stress. In both systems, in vitro and hydroponics, both potato cultivars, Asterix and Macaca, showed a reduction in shoot length, number of nodal segments, number of leaves, and number of roots with increasing Cd levels in substrate. The results mainly related to root length and to the production of fresh biomass of both potato cultivars grown in both systems allow us to infer that cv. Macaca is more sensitive to Cd than cv. Asterix when grown in vitro. However, in the hydroponic system, the opposite was verified. Cd concentrations in roots and shoot of potato plantlets grown either in vitro or hydroponically increased progressively with increasing Cd levels in substrate. Although Cd content in the potato tissues grown in hydroponics exhibited a linear behavior, in the plantlets grown in vitro the increase in Cd content showed an erratic behavior. This may be due to the fact that an increase in dry biomass was observed at the lowest Cd level, whereas a strong reduction of biomass was observed at the highest Cd level. In general, macro and micronutrient content was not altered by Cd in the plantlets grown hydroponically. However, in vitro, high Cd concentrations caused drastic reductions in the content of these mineral nutrients. In addition, the Macaca cultivar showed an increase in the content of some nutrients only when cultivated in vitro and exposed to low Cd levels, corroborating with the results observed for dry biomass production. The presence of Cd in the hydroponic system decreased the carotenoid content only in the Macaca cultivar, however it reduced the aminolevulinate dehydratase activity and chlorophyll content in both potato cultivars, indicating that Cd interferes negatively in processes related to photosynthesis. Cd increased malondialdehyde levels in the shoot and roots of both potato cultivars, and increased the carbonyl groups in the shoot of both potato cultivars at the highest Cd level. The increase in the hydrogen peroxide concentration indicates that Cd altered the production of reactive oxygen species leading to lipid peroxidation of the membranes and to protein oxidation in these plantlets. Cd caused alterations in the activity of antioxidant enzymes such as catalase and superoxide dismutase, besides altering the content of non-enzymatic antioxidants such as ascorbic acid and non-protein thiol groups. The alterations observed in the antioxidant defense system and mineral nutrient content of potato plantlets exposed to Cd indicate that this metal promoted oxidative stress and a nutritional imbalance in this species, which contributed to the negative effects observed in relation to its growth.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Em muitos solos agrícolas, a concentração de cádmio (Cd) está acima dos níveis naturais devido, principalmente, às ações antropogênicas tais como a liberação desse metal a partir de fontes industriais e agrícolas. Logo, se torna necessário o estudo da toxicidade e acúmulo deste metal em plantas utilizadas na alimentação como a batata (Solanum tuberosum L.). Este estudo foi conduzido com o objetivo de identificar e caracterizar aspectos fisiológicos e bioquímicos da toxidez do Cd tais como análises de crescimento, conteúdo de nutrientes minerais e estresse oxidativo de duas cultivares de batata, Asterix e Macaca. Em condição de cultivo in vitro, as plântulas foram expostas a cinco concentrações de Cd (0, 100, 200, 300, 400 e 500 μM) por 22 dias para avaliação de efeitos em parâmetros de crescimento e nutrição mineral. Em sistema de cultivo hidropônico, as plântulas foram expostas a quatro concentrações de Cd (0, 50, 100, 150 e 200 μM) por 7 dias para avaliação de efeitos em aspectos de crescimento, nutrição mineral e também de estresse oxidativo. Em ambas as condições de cultivo, in vitro e em hidroponia, as plântulas de batata de ambas as cultivares, Asterix e Macaca, apresentaram redução da altura da parte aérea, número de segmentos nodais, número de folhas e número de raízes pelo aumento dos níveis de Cd no substrato. Os resultados relacionados, principalmente, ao comprimento radicular e à produção de biomassa fresca de ambas as cultivares de batata crescidas em ambas as condições de cultivo, permitem inferir que a cv. Macaca foi mais sensível ao Cd do que a cv. Asterix, quando cultivadas in vitro. Entretanto, no sistema hidropônico foi verificada uma resposta contrária. A concentração de Cd nas raízes e na parte aérea de plântulas da batata crescidas tanto in vitro quanto hidroponicamente aumentou progressivamente de acordo com o incremento de sua concentração no meio de cultivo. Embora o conteúdo de Cd nos tecidos das plântulas cultivadas em hidroponia tenha exibido comportamento linear, nas plântulas crescidas in vitro foi observado uma comportamento errático deste. Esta resposta errática, possivelmente, seja devido ao incremento da biomassa seca observado nas menores concentrações e a forte inibição desta nas maiores concentrações de Cd. Em geral, os macro e micronutrientes não tiveram sua absorção e acumulação alteradas pelo Cd nas plântulas cultivadas hidroponicamente. Entretanto nas plântulas cultivadas in vitro, altas concentrações de Cd causaram drásticas reduções no conteúdo destes nutrientes minerais. Em adição, a cultivar Macaca apresentou aumento no conteúdo de alguns nutrientes somente quando cultivada in vitro e exposta as menores concentrações de Cd, corroborando com os resultados encontrados em relação ao estímulo da produção de biomassa seca. A presença de Cd em sistema de cultivo hidropônico diminuiu o conteúdo de carotenóides somente na cultivar Macaca, bem como reduziu a atividade da enzima aminolevulinato desidratase e o conteúdo de clorofila em ambas as cultivares, indicando que o Cd interfere negativamente em processos relacionados à fotossíntese em plântulas de batata. O Cd aumentou os níveis de malondialeído na parte aérea e nas raízes de ambas as cultivares, bem como aumentou o conteúdo de grupamentos carbonil na parte aérea de ambas as cultivares na concentração mais alta de Cd. O aumento na concentração de peróxido de hidrogênio em plântulas de batata submetidas ao Cd indica que este metal alterou a produção de espécies reativas de oxigênio conduzindo à peroxidação lipídica das membranas e à oxidação protéica nestas plântulas. O Cd causou alterações na atividade de enzimas antioxidantes como a catalase e a superóxido dismutase, além de alterar a concentração de moléculas antioxidantes não-enzimáticas, como o ácido ascórbico e grupos tióis não-protéicos em plântulas de batata. As alterações observadas no sistema de defesa antioxidante e no conteúdo de nutrientes minerais das plântulas de batata expostas ao Cd indicam que este metal promoveu estresse oxidativo e desequilíbrio no balanço nutricional nesta espécie, o que contribui para os efeitos negativos observados em relação ao crescimento da batata.