Response of "Oryza sativa" and "Phragmites australis" plants to potentially toxic elements stress in phytoremediation strategies

Abstract

La contaminación de suelos por elementos potencialmente tóxicos (metales pesados y metaloides; PTE) procedentes de actividades mineras supone un grave problema medioambiental y numerosos riesgos para los seres vivos que habitan en ecosistemas próximos. Las plantas son capaces de lidiar con determinadas concentraciones de PTE hasta un valor umbral, a partir del cual son tóxicos y llegan a producir daño oxidativo o la muerte de la planta. Puesto que las distintas especies de plantas pueden diferir en su respuesta al estrés por PTE, conocer estas alteraciones en los indicadores de estrés puede ayudar a mejorar la eficacia de las estrategias de fitorrecuperación. El objetivo de esta tesis fue identificar los cambios en el estado fisiológico y oxidativo de plántulas de arroz y carrizo para contrarrestar la toxicidad por PTE al crecer en diferentes suelos mineros contaminados o en disolución nutritiva con distintas concentraciones de arseniato (As(V)). Las plantas de carrizo mostraron una alta tolerancia a PTE (tanto en suelo como en cultivo hidropónico), acumulándolos principalmente en sus raíces y limitando su transporte a la parte aérea de la planta, confirmando así su idoneidad para su uso en la rizofiltración y fitoestabilización de medios contaminados por PTE, incluido As. Estas plantas no mostraron síntomas evidentes de toxicidad, aunque las concentraciones de prolina y la peroxidación lipídica (MDA) en las plantas reflejaron la acumulación y toxicidad de As. En el experimento en suelos mineros, las plantas de arroz presentaron relativa tolerancia a As y Pb, limitando su translocación a la parte aérea. A su vez, las altas concentraciones de Cd y Zn causaron fitotoxicidad en las plantas de arroz, siendo la peroxidación lipídica y la prolina indicadores de dicha vulnerabilidad. Sin embargo, las plantas de arroz mostraron síntomas de toxicidad aguda a concentraciones elevadas de As(V) en disolución nutritiva (> 5 mg L-1), que se reflejó en el crecimiento reducido, una muy alta acumulación de As, tanto en raíces como en la parte aérea, con un aumento de la peroxidación lipídica. Por último, se estudió el efecto del “priming” con ácido ascórbico (AsA) sobre distintos parámetros de estrés en plantas de arroz expuestas a As(V), ya que mediante esta técnica se busca inducir una respuesta de defensa de las plantas más rápida o robusta. La adición de AsA a la disolución nutritiva disminuyó la acumulación de As total en las plantas de arroz y, en particular, la especie As(III) en las raíces, la cual se encontró que estaba directamente relacionada con la concentración de compuestos tiólicos en las raíces de las plantas; así como limitó la translocación de las especies inorgánicas de As (As(III) y As(V)) a la parte aérea de las plantas. La prolina aumentó como respuesta a la presencia de As y, posteriormente, se mitigó con la adición de AsA, por lo que podría actuar como un marcador útil de la presencia y toxicidad de As en las plantas de arroz. Se obtuvieron correlaciones positivas entre las actividades antioxidantes (FRAP y DPPH) y las concentraciones de compuestos fenólicos (solubles totales y proantocianidinas) con las de prolina, de modo que se deduce un fuerte control de la homeostasis oxidativa por parte de estos compuestos. Las raíces de estas plantas son el primer órgano en enfrentarse y responder al estrés de los PTE, y han mostrado gran capacidad para lidiar con niveles tóxicos de PTE. Por ello, proveer a las células que las componen (mediante ingeniería genética o las numerosas posibilidades que ofrece el priming) de la maquinaria de defensa pertinente sería clave en las estrategias de fitorrecuperación para así mejorar la adaptación al estrés abiótico y mitigar la toxicidad.

Soil contamination by potentially toxic elements (heavy metals and metalloids; PTE) from mining activities has become a primary environmental concern and poses numerous risks to living organisms in nearby ecosystems. Plants are capable of dealing with certain concentrations of PTE up to a threshold value, from which they become toxic and can cause oxidative damage or plant death. Since different plant species can differ in their response to PTE stress, the knowledge of the stress indicators alterations can improve the effectiveness of phytoremediation strategies. The objective of this thesis was to identify changes in the physiological and oxidative state of rice and common reed seedlings to counteract PTE toxicity when grown in different contaminated mining soils or in nutrient solution with different concentrations of arsenate (As(V)). Common reed plants showed high tolerance to PTE (both in mining contaminated soils and in hydroponic culture), accumulating them mainly in their roots and limiting their transport to the aerial part of the plants. Thus, confirming their suitability for use in rhizofiltration and phytostabilization of environments contaminated by PTE, including As. These plants did not show evident toxicity symptoms, although the concentrations of proline and lipid peroxidation (MDA) in the plants reflected the accumulation and toxicity of As.

Rice plants showed relative tolerance to As and Pb, limiting their translocation to the aerial part in contaminated mining soils. In addition, high concentrations of Cd and Zn caused phytotoxicity in rice plants, lipid peroxidation and proline acting as indicators of such vulnerability. However, rice plants showed symptoms of acute toxicity at high concentrations of As(V) in nutrient solution (> 5 mg L-1), which led to reduced growth and very high accumulation of As, both in roots and in aerial part, with an increase in lipid peroxidation. Furthermore, the effect of priming with ascorbic acid (AsA) on different stress parameters in rice plants exposed to As(V) was studied, since this technique triggers a faster or robust plant defense response. The addition of AsA to the nutrient solution decreased the total accumulation of As in rice plants and limited the translocation of inorganic As species (As(III) and As(V)) to the aerial part of plants. The concentration of As(III) in the roots was also reduced by priming, which was found to be directly related to the concentration of thiol compounds in plant roots. Proline increased in response to the presence of As and was subsequently mitigated by the addition of AsA, thus it could act as a useful marker of As presence and toxicity in rice plants. Positive correlations were obtained between the antioxidant activities (FRAP and DPPH) and the concentrations of phenolic compounds (total soluble and proanthocyanidins) with proline, so that a strong control of oxidative homeostasis by these compounds is deduced. The roots of these plants are the first organ to face and respond to PTE stress, and have shown great ability to deal with toxic levels of PTE. Therefore, providing the cells that compose it (through genetic engineering or the many possibilities offered by priming) with the relevant defense machinery would be crucial in phytoremediation strategies, in order to improve adaptation to abiotic stress and mitigate toxicity.