Toxicidad de cadmio en plantas de pimiento y brócoli. Evaluación de tratamientos paliativos

Abstract

La contaminación ambiental por cadmio (Cd) se ha incrementado drásticamente en la naturaleza debido principalmente a la intensificación de las actividades industriales, la aplicación de fertilizantes fosfatados y al uso de lodos de depuradora. Estas actividades han llevado a la contaminación a gran escala de los suelos agrícolas. El cadmio es un metal pesado sin función biológica, que resulta tóxico a bajas concentraciones en humanos, animales y plantas. En cultivos agrícolas, el Cd se absorbe y transporta desde la raíz a la hoja fácilmente, pudiendo ser acumulado en los tejidos en concentraciones que afectan negativamente al crecimiento y desarrollo. El Cd provoca anomalías en la absorción de nutrientes y en el desarrollo vegetativo, afecta en el metabolismo celular a nivel enzimático, fotosintético, estomático e hídrico. Todo ello induce la producción de un elevado estrés oxidativo que impide y limita el crecimiento y disminuye el rendimiento en los cultivos agrícolas. Actualmente, el uso de bioestimulantes ha sido objeto de estudio con el objetivo de disminuir el efecto del Cd en el desarrollo de plantas. Sin embargo, los resultados varían en función de diferentes factores, como son la composición de las moléculas evaluadas, la dosis utilizada, el modo y el momento de la aplicación. Por tanto, bajo este contexto, se ha desarrollado esta tesis cuyo objetivo principal ha consistido en evaluar el efecto que tienen la aplicación de diferentes sustancias bioestimulantes en plantas crecidas en condiciones de estrés por Cd. Se han realizado 3 experimentos para dilucidar qué materias activas, en qué dosis y en qué forma de aplicación es la más eficaz para paliar la toxicidad del Cd y disminuir su daño en los cultivos. Los cultivos seleccionados para los experimentos fueron pimiento y brócoli, debido a su importancia en agricultura. El pimiento tiene una tolerancia baja-media al Cd, ya que lo acumula en sus tejidos (raíz principalmente), observándose síntomas visuales rápidamente. El brócoli es un cultivo con tolerancia media, que acumula Cd en sus tejidos, principalmente en las hojas y en la inflorescencia. En el primer experimento se evalúo si la aplicación de selenio (Se) inhibía la absorción, acumulación de Cd y su toxicidad en plantas de pimiento crecidas en condiciones hidropónicas con solución nutritiva enriquecida con Cd. Por esta razón, se realizaron cuatro tratamientos (−Cd/−Se, +Cd/−Se, +Cd/+SeF y +Cd/+SeR) para determinar el tipo de aplicación de Se más adecuada (vía foliar y/o vía radicular) en cuanto a la reducción de los efectos tóxicos del Cd en las plantas. En el segundo experimento se analizó si el efecto beneficioso de la aplicación de Se en la disminución de toxicidad por Cd, en plantas de pimiento crecidas en hidroponía en condiciones de fitotoxicidad por Cd con cuatro tratamientos (−Cd/−Se, +Cd/−Se, +Cd/+SeF y +Cd/+SeR), fue consecuencia de que el Se mejora la eficacia del metabolismo del nitrógeno y del carbono. Para ello se analizaron: las concentraciones de aniones relacionados con este metabolismo, como nitratos, nitritos y amonio, las actividades de diferentes enzimas como nitrato reductasa, nitrito reductasa y glutamato sintasa, poliaminas en sus diferentes formas, ácidos orgánicos, aminoácidos y azúcares en los tejidos de las hojas y raíces. Por último, en el tercer experimento se evaluó el efecto de las aplicaciones exógenas de Biocat G (ácidos fúlvicos/húmicos), selenio (Se) y quitosano en raíces y/o hojas de plantas de brócoli expuestas a estrés por Cd. Los tratamientos aplicados fueron: (i) T1: solución nutritiva Hoagland (NS), (ii) T2: NS + Cd a 3 mg L-1 (NS + Cd), (iii) T3: NS + Cd + aplicación radicular de Biocat G (NS + Cd + BioG), (iv) T4: NS + Cd + aplicación foliar de Se (NS + Cd + Se1), (v) T5: NS + Cd + aplicación radicular de Se (NS + Cd + Se2) , (vi) T6: NS + Cd + aplicación foliar de quitosano (NS + Cd + quitosano1), y (vii) T7: NS + Cd + aplicación radicular de quitosano (NS + Cd + quitosano2). De estos experimentos las conclusiones más relevantes fueron las que se muestran a continuación: Primer experimento: Los resultados obtenidos mostraron que el exceso de Cd en la solución nutritiva resultó en una disminución de la biomasa total de las plantas cultivadas en estas condiciones (48% +Cd/−Se , 45 % +Cd/+SeF , y 38 % +Cd/+SeR , relativo a −Cd/−Se). Esta reducción del crecimiento se debió a: (i) la toxicidad del Cd y (ii) el desequilibrio nutricional que sufrían las plantas con la presencia de Cd en la solución nutritiva. Parece que, en condiciones hidropónicas, la adición de Se a la solución nutritiva, y por tanto su absorción a través de las raíces retrasó y redujo en gran medida los efectos tóxicos del Cd en las plantas de pimiento, a diferencia de la aplicación foliar de este elemento.

Segundo experimento: Los resultados mostraron la superioridad del tratamiento +Cd/+SeR con respecto al tratamiento +Cd/+SeF, ya que el primero activa una serie de mecanismos relacionados con la síntesis poliaminas conjugadas, la asimilación de nitrógeno, el ciclo de Krebs, y, el aumento del ácido clorogénico. Los datos del estudio metabólico indicaron que el tratamiento foliar con Se provocó algunos daños en las plantas de pimiento o desencadenó una serie de respuestas metabólicas diferentes a las observadas en las plantas SeR que condujeron a que el SeF no fuera tan efectivo como el SeR. Los resultados indicaron que el SeR disminuyó la acumulación y toxicidad de Cd a medida que mejoró la homeostasis de las poliaminas, se incrementaron los mecanismos de defensa como el fenilpropanoide y se bloqueó la entrada de Cd a las plantas.

Tercer experimento: Los resultados mostraron que la aplicación exógena de Biocat G y Se mejoraron los efectos adversos causados por la toxicidad del Cd. Biocat G consiguió limitar el transporte de Cd desde las hojas a las inflorescencias, reduciendo el contenido de Cd en la parte comestible. Estos tratamientos dieron los mejores resultados ya que desactivaron la reactividad del Cd en los tejidos, pero no afectaron a su acumulación en la planta

Environmental contamination by cadmium (Cd) has increased drastically in nature mainly due to the intensification of industrial activities, the application of phosphate fertilizers and the use of sewage sludge. These activities have led to large-scale contamination of agricultural soils. Cadmium is a heavy metal with no biological function, which is toxic at low concentrations in humans, animals and plants. In agricultural crops, Cd is absorbed and transported from root to shoot efficiently, and can be accumulated in tissue, affecting growth and development. Cd causes abnormalities in the nutrient absorption and vegetative development, affects cellular metabolism at the enzymatic, photosynthetic, stomatic and hydric. All this induces the production of a high oxidative stress which prevents and limits growth and decreases agricultural crop yield. In humans, the deposition of Cd in the body is a consequence of the consumption of foods with Cd accumulation that do not present apparent phytotoxic symptoms, being able to cause serious health problems, such as cancer. For all these reasons, it is necessary to develop simple and sustainable techniques for agriculture, which allow blocking the effect of Cd and decrease absorption, transport, accumulation and symptoms in crop plants in order to to improve agricultural production and food security. Currently, the use of biostimulants in order to reduce the effect of Cd on the plant development has been studied. However, the results vary depending on different factors, such as the composition of the molecules evaluated, the dose used, the manner and time of application. Therefore, this thesis has been developed with the main objective to evaluate the effect of the application of different biostimulant substances on plants grown in Cd stress conditions. For this, 3 experiments have been carried out to elucidate what application form inhibited the toxicity of Cd more effectively and decreased its damage and accumulation in the plant. The crops selected for the experiments were pepper and broccoli, due to their importance in agriculture. In addition, the pepper has a low-medium tolerance to Cd, since it accumulates in its tissues (mainly the root), showing fast visual symptoms. And the broccoli is a crop with medium tolerance, that accumulates Cd in its tissues, mainly in the leaves and in the inflorescence. In the first experiment, it was evaluated if the application of selenium (Se) inhibited the absorption, accumulation and toxicity of Cd in pepper plants grown under hydroponic conditions with nutrient solution enriched with Cd. For this reason, four treatments were carried out (−Cd/−Se, +Cd/−Se, +Cd/+SeF and +Cd/+SeR) to determine the most adequate type of application of Se (foliar route and/or root route) in terms of reducing the toxic effects of Cd in the plants. In the second experiment, it was analyzed whether the beneficial effect of the application of Se in the decrease of Cd toxicity, in pepper plants grown in hydroponics in Cd phytotoxicity conditions with four treatments (−Cd/−Se, +Cd/−Se, +Cd/+SeF and +Cd/+SeR), was a consequence of the fact that Se improves the efficiency of nitrogen metabolism and of carbon. For this purpose, the following parameters were analysed in the tissues of leaves and roots: the concentrations of anions related to this metabolism, such as nitrates, nitrites and ammonium; the activities of different enzymes such as nitrate reductase, nitrite reductase and glutamate synthase; polyamines in their different forms; salts of organic acids; amino acids and sugars. Lastly, in the third experiment, the effect of exogenous applications of Biocat G (fulvic/humic acids), selenium (Se) and chitosan was evaluated in roots and leaves of broccoli plants exposed to Cd stress. The treatments applied were: (i) T1: nutrient solution Hoagland (NS), (ii) T2: NS + Cd at 3 mg L-1 (NS + Cd), (iii) T3: NS + Cd + application root application of Biocat G (NS + Cd + BioG), (iv) T4: NS + Cd + foliar application of Se (NS + Cd + Se1), (v) T5: NS + Cd + root application of Se (NS + Cd + Se2), (vi) T6: NS + Cd + foliar application of chitosan (NS + Cd + chitosan1), and (vii) T7: NS + Cd + application root chitosan (NS + Cd + chitosan2). From these experiments, the most relevant conclusions were:

First experiment: The results obtained showed that the excess of Cd in the nutrient solution resulted in a decrease in the total dry biomass of the plants grown under these conditions, and that this decrease was due to the reduction in shoot growth (48% +Cd/−Se, 45% +Cd/+SeF, and 38% +Cd/+SeR, relative to −Cd/−Se). This growth reduction was due to: (i) the toxicity of Cd itself and (ii) the nutritional imbalance suffered by the plants. It seems that under hydroponic conditions, the addition of Se to the nutrient solution, and therefore its absorption through of the roots (lower antioxidant activity, superoxide dismutase, H2O2 and higher catalase activity), delayed and greatly reduced the toxic effects of Cd on pepper plants, unlike the foliar application of this element.

Second experiment: The results showed the superiority of the treatment +Cd/+SeR with respect to the +Cd/+SeF treatment, as shown by the increase in the conjugated polyamines, decreased glutamate and phenylalanine, and increased malate and chlorogenic acid. Data from the metabolic study indicated that the foliar treatment with Se caused some damage to pepper plants or triggered a series of metabolic responses different from those observed in SeR plants. The results indicated that the SeR decreased the accumulation and toxicity of Cd as polyamine homeostasis improved, defense mechanisms such as phenylpropanoid increased and the entry of Cd into the plants was blocked.

Third experiment: The results showed that the exogenous application of Biocat G and Se (T3 and T5) ameliorated the adverse effects caused by Cd toxicity and the rate plant growth. In addition, Biocat G was able to limit the transport of Cd from the leaves to the inflorescences, reducing the content of Cd in the edible part. These treatments (T3 and T5) gave the best results, act on the plants deactivating Cd toxicity, but did not affect its accumulation in the plant tissue. In addition, Biocat G limits the transport of Cd from the non-edible part to the edible. Biocat G was able to limit the transport of Cd from the leaves to the inflorescences, reducing the Cd content in the edible part