Nicotiana glauca Graham – potential cadmium phytoremediator

Abstract

Zagađenje teškim metalima rezultat je ljudskog djelovanja, a njihova sve veća prisutnost ima ozbiljne posljedice na ekosustave, ali i na ljudsko zdravlje. Kadmij (Cd) je jedan od najtoksičnijih teških metala. Zbog svoje mobilnosti, akumulacije u hranidbenom lancu te široke primjene u industriji Cd predstavlja prijetnju za ljudsko zdravlje i okoliš u cjelini. Mnoge biljne vrste razvile su tolerantnost na teške metale u okolišu, koristeći dvije različite strategije: strategiju isključivanja ili strategiju akumulacije. Razumijevanje mehanizama akumulacije osobito je važno u prehrambeno važnim biljnim vrstama radi sprečavanja ulaska metala u hranidbeni lanac te radi moguće upotrebe biljaka za uklanjanje metala iz tla procesom fitoremedijacije. Cilj ovog istraživanja bio je usporediti mehanizme tolerancije na Cd u potencijalnom hiperakumulatoru vrsti Nicotiana glauca Graham i umjereno tolerantnoj vrsti N. tabacum L. Rezultati su pokazali kako je vrsta N. glauca hiperakumulator Cd te je kandidat za fitoremedijatora. U vrste N. glauca akumulacija i tolerancija Cd posredovana je povišenom konstitutivnom ekspresijom gena za unos i transport metala kroz biljku (ZIP, PDR3, HMA-A), gena za unos i održavanje homeostaze Fe (CIT1, FER), za antioksidativni odgovor (GST) te za sintezu helatora (NAS). Nakon tretmana s Cd u vrsti N. tabacum u listovima dolazi do odgovora sličnog deficijenciji Fe (povećanje ekspresije NRAMP1) te drastičnog smanjenja ekspresije transportera ZIP u korijenu, što dovodi do smanjenja unosa metala u biljku. U vrste N. glauca Cd uzrokuje povećanje ekspresije gena za unos metala u biljku i translokaciju metala u listove (HMA-A) što je važna karakteristika hiperakumulatora i potencijalnog fitoremedijatora. Dobiveni rezultati ukazuju da je upravo gen HMA-A potencijalna meta za konstrukciju transgenične vrste N. glauca koja bi se mogla koristiti za fitoremedijaciju Cd.Heavy metal pollution is a result of human actions, and their increasing presence has serious consequences for the environment, as well as for human health. Cadmium (Cd) is one of the most toxic metals. Because of its mobility, accumulation in the food chain and wide application in industry, Cd is a threat for human health and the entire environment. Many plant species have developed tolerance for heavy metals in the environment, by utilizing two distinct strategies: accumulation strategy and exclusion strategy. Understanding of accumulation mechanisms is especially important in agriculturally important crops in order to prevent heavy metals from entering the food chain and for possible use of plants for removal of metals from soils through the process of phytoremediation. The goal of this thesis was to compare mechanisms of tolerance to Cd in potential hyperaccumulator Nicotiana glauca Graham and moderately tolerant N. tabacum L. Results have shown that N. glauca is a Cd hyperaccumulator and a potential phytoremediator. In N. glauca Cd accumulation and tolerance is enabled by constitutively high expression of genes involved in heavy metal uptake and transport (ZIP, PDR3, HMA-A), Fe uptake and homeostasis (CIT1, FER), antioxidative defense (GST) and chelator synthesis (NAS). After Cd treatment in N. tabacum leaves there was a response similar to Fe-deficiency (induction of NRAMP1 expression) and drastic inhibition of ZIP transporter expression in the roots, in order to prevent further metals from entering the plant. In N. glauca Cd caused increased expression of gene involved in metal uptake and metal translocation to the leaves (HMA-A) which is an important trait of hyperaccumulators and potential phytoremediators. Obtained results show that gene HMA-A is a potential target for constructing transgenic N. glauca that could be used for Cd phytoremediation