文摘
农业土壤污染与铬离子(Cr)威胁全球作物,人类和生态系统的健康。两个氧化态即铬(III)和铬(VI)是最稳定和容易获得的植物。这项研究增加曝光的影响进行了探讨(500 ppm)的铬(III)和铬(VI)的生物物理学特性15天大幼苗(体外)以及60-day-old西红柿(体内),并强调了buffel草的重要性(Cenchrus pennisetiformis)减轻铬含量番茄植物。在体外,培养皿生物与13个不同浓度(20 - 500 ppm)的铬(III)和铬(VI)描述金属离子的高毒性效应≥200 ppm对所有生物物理学特性的番茄幼苗。体内,土壤掺入了铬(III)和铬(VI)(200、300和400毫克/公斤)是修改buffel草的干重1%和2%。危害植物的毒性是高铬(VI)飙升土壤与土壤铬(III)飙升。Cr茄根,主要是积累和Cr从根部转移到芽从土壤铬(VI)上升比土壤铬(III)飙升。土壤改良剂杂草生物量减少2%金属毒性植物中,尤其是在200和300毫克/公斤的Cr。蛋白质概要文件通过sds - page显示就是每人日薪12到50 kDa(主要是PR蛋白)作为一个重要地区番茄叶,许多新乐队表达在不同的治疗方法,尤其是在治疗提供buffel草。PCA-based biplot明显分离Cr公差从高度敏感的治疗方法治疗。番茄的栽培植物铬(III)和铬(VI)受污染的土壤(200和300毫克/公斤),生物质能的Cloncurry buffel草应该被认为是一个有效的和容易phyto-management选项。
介绍
番茄(茄属植物lycopersicuml .)属于茄科茄科和富含类胡萝卜素(番茄红素)、维生素(a、B和C)、酚醛树脂和能源储备矿物营养(P, N、K、铁、钙、镁、等等)。因此,其高营养概要文件包括在全球广泛种植作物特别是在美国,墨西哥,西班牙和巴西,在像中国这样的亚洲国家,印度、伊朗和巴基斯坦。巴基斯坦排名第35番茄生产在全球范围内,尽管如此,在最近的2019年生产62.01万吨的面积6.06万公顷,预计由于人口迅速增加的需求增加1。
土壤是一个各种污染物包括有毒重金属汞合金。污染土壤植物健康造成不利影响,最终导致粮食不安全问题和食品安全问题2。铬(Cr)是一种有害重金属添加到土壤、地下水和空气主要通过工业过程,然后转移到植物,后来并入食物链不同,通常多个点,因此成为公众健康的主要危险因素3。因此保持在17日最有害物质之一4中,在一级致癌元素5。在不同氧化态、铬(VI)“六价”和铬(III)“三价”是最常见的和稳定的状态6,两者的结合状态存在于土壤。到目前为止,关于他们在土壤的生物利用度,这两个州不同易位,在植物毒性7。铬(III)的化合物被认为是少大约100倍比铬(VI)的毒性8经常和后者状态不可降解,更多的可溶性,更多的移动,可能会持续在土壤中(尤其是桑迪或低有机质)多年9。铬(III)植物的同化通过被动扩散发生10,而铬(VI)提出了通过主动扩散通过磷酸和硫酸吸收转运蛋白的结构相似性与这些离子铬(VI)11。
也显示,铬(III)可以转化为铬(VI)在植物细胞器官,根可以积累比其他部分Cr 100倍,因为Cr的流动性较低的根源12。没有证据表明在植物生理学Cr的生物学作用13,因此这两个州可以引起严重的生化,超微结构和分子改变植物即使在低浓度诱导氧化应激的Cr14,15,16,17。氧化应激击溃了内在的抗氧化防御系统,造成氧化的脂质,蛋白质,核酸和导致氧化破裂,引起细胞损伤,电解质渗漏和细胞死亡18。Cr-induced在植物细胞毒性导致的中断信号通路和重要的代谢过程,和植物清单障碍与植物的生长发育和产量相关19,20.,21。文献显示,Cr-induced毒性Brasiccaspp。小麦,玉蜀黍,栽培稻,美国lycopersicum等减少/推迟这些植物的生长和生物量积累通过增加活性氧积累,抑制细胞分裂,关键酶的活性,吸收和易位的必需营养素根损伤,和叶片萎黄病18,19,20.,21。Mangabeira et al。22番茄植物的调查结果显示,接触铬(III)改变了叶绿体,以及基粒,嵴数目减少,从而降低光合和呼吸活动与植物的健康有害的后果。此外,铬(VI)毒性导致球状的扩展,细胞核和叶绿体,液泡的中断,叶绿体,高尔基体和内质网的聚合,并在细胞质中形成的脂质滴23。
因此,有必要探索一种有效的减轻铬毒性的植物和杂草属于Cenchrus物种可用于重金属压力缓解24,25,26,27。本机Cenchrus家庭禾本科物种,快速响应的降雨事件,产生更多的生物量比许多本地多年生草种类,及其种子产量高,工业区的增长潜力和开采土地28。在不同的物种,Cenchrus pennisetiformis俗称Cloncurry,白色或苗条buffel草,是一种饲料草,非常耐旱,耐盐,发现作为一个全球增长居多的杂草。它包含了脯氨酸、碳同位素和丙二醛,使它成为一个有价值的herbicidal以及重金属压力缓解剂29日。相当多的积累不同的重金属已经被记载在Cenchrussp.日益增长的工业污染区由于固醇的存在在其根30.,31日,32。因此,本研究进行了评估在体外和体内毒性引起的铬(III)和铬(VI)干重的番茄植物和土壤应用Cloncurry buffel草(CPB)减轻铬毒性的番茄植物。
结果
在体外实验中
十三浓度的影响(20 - 500 ppm)的铬(III)和铬(VI)不良萌发,幼苗长度,和15天大番茄幼苗干重。增长属性更敏感对不同浓度的铬(VI)比铬(III)。因此,发芽显著下降了10 - 95%和15 - 97%的浓度范围40 - 400 ppm的铬(III)和20 - 400 ppm的铬(VI),分别,而萌发完全停止超过400 ppm的浓度。幼苗长度和干重显著降低了10 - 90%,40 - 350 ppm的浓度范围的铬(III)和20 - 300 ppm的铬(VI)和比控制(图。1一个n)。负公差指数之间的线性关系被发现调查属性和金属浓度显著增加更大的R2值(无花果。2a、b)。也同样,PCA-based biplot分布式治疗分为两大组,高度敏感的治疗是负相关(p < 0.05)和所有分析增长属性出现在左侧(200 - 500 ppm)的biplot(无花果。3a、b)。
体内试验
增长分析
植物在控制治疗明显表现出更大的拍摄/根长度(34/28厘米),新鲜的生物量(5.90/0.94 g),和干重(2.01/0.32 g),同时,铬(III)飙升导致土体在番茄植物毒性显著降低拍摄和根属性通过40 - 80%和50 - 90%,分别与增加铬(III)浓度(200、300和400毫克/公斤)(图4f)。有更大幅减少70 - 90%和80 - 90%的拍摄和根的生长特征,分别与提高铬(VI)浓度(200 - 400毫克/公斤)的土壤(图。4g-l)。
土壤混合与心脏更深刻地影响了植物的健康与2%的剂量超过1%剂量在正常或土壤铬(III)飙升。虽然在正常治疗,植物体长度是影响与剂量无关紧要的,生物量显著提高体2和2%三倍比相应的控制治疗(不含金属)。混合的心脏在土壤铬(III)飙升1% 200,300和400毫克/公斤显著提高所有增长特征(长度、新鲜和干重)的拍摄(1.5 2折)和根(2 - 3折)相比各自的控制(铬(III)只)。然而,2% CPB更多拍摄和根系生长属性显著提高2 - 3倍和3 - 4折,分别对相应的控制铬(III)(无花果。4f)。修正案的铬(VI)与缅共发现了受污染的土壤有效提高番茄的生长和生物量植物只在200和300毫克/公斤,虽然未能显著减轻铬(VI)压力在400毫克/公斤。因此,低剂量(1%)和更高的一个(2%)的缅共展出静态类似改进2 - 3折的拍摄以及根系生长属性对应的控制(无花果。4g-l)。
sds - page
一个相当大的修改也观察到在番茄叶片的电泳潜力治疗提供铬(III)和铬(VI)压力与控制。许多乐队消失,而新的乐队是可见的。此外,还有重要的多态性的流动性和低和高分子量的蛋白质。所有治疗表现出蛋白质乐队在100年和160年kDa(*),尽管这些乐队轻轻沾在控制,而这些乐队是激烈和黑暗彩色的治疗与心脏有金属压力或修改。此外,在控制相比,蛋白质乐队在70 kDa较弱,同时50-35 kDa出现在所有治疗与染色强度更大。由于Cr压力,其他一些在15 - 20 kDa分子量多肽具有较高强度的观察。几个新乐队~ kDa和观众kDa Cr-stressed植物体提供了缓解压力(图。5)。
金属吸收番茄植物
一般来说,土壤CPB显著降低了金属离子的应用由番茄植物吸收剂量依赖性的方式。高剂量的2%的土壤改良剂被证明是更有效地降低金属积累不同的植物部分。植物根系显示更多潜在积累金属离子其次是茎和叶。因此,总铬浓度170,240,和310 ppm是显著减少到65,112,和161 ppm掺入1%的土壤改良剂在200年,300年和400毫克/公斤铬(III)飙升土壤,分别。然而,铬积累的番茄植物体进一步显著减少了2%,导致的总积累36岁,79年和131年的200 ppm, 300和400毫克/公斤铬(III)飙升土壤,分别(无花果。6一个)。
番茄植物表现出更多的能力吸收Cr的铬(VI)比铬(III),尽管心脏金属吸收减少了番茄植物,吸收更大时同样的应用土壤铬(III)飙升。番茄植物积累了175,261,和200年总Cr 325 ppm, 300和400毫克/公斤的铬(VI)在缺乏土壤改良剂,同时积累显著减少到115年,165年和186 ppm缅共1%,到74年,102年和156 ppm与缅共2%铬(VI)的浓度,分别(无花果。6b)。
生物浓缩因子(BF)和易位因子(TF)
男朋友的68/129,163/632,285/310表示更大的功效番茄积累Cr在其组织的铬(III) /铬(VI)在200年,300年和400毫克/公斤。然而,5 - 85的男朋友铬(III)和22 - 212对铬(VI)大大减少在所有治疗修改杂草生物量。同样,所有治疗的TF值是小于1比治疗没有土壤改良剂,显示更多的金属离子积累根和根与芽的缓慢的交通心脏(表的存在1)。
PCA-biplot
进行主成分分析来确定彼此关联的变量及其影响治疗。PC1和PC2解释89.30%的变异研究中的数据在所有特征测试(无花果。7)。PC1主要增长所有属性相关,PC2描述金属积累的相关性,易位因子,生物浓缩因子,但PC1的向量和PC2指向相反的方向,展示一个负相关。四组的基础上做出的反应治疗。组我,包括控制(T1心脏(T)以及治疗接受1%2心脏(T)和2%3)显著属性更大发展。高度敏感的治疗对铬(III) (T7和T10)和铬(VI) (T13T16和T19体)以及1% +铬(III和VI)在更高浓度被放置在第四组biplot的左边,而灵敏度增加治疗放置远离原点。在其他的治疗方法,对Cr杂草生物量构成威胁,把治疗[T 5宽容5T6T9T14和T15)的右边biplot(第二组),而4适度宽容治疗[T4T8T12和T18]在半夜biplot(第三组)与控制(我)(无花果。7)。
讨论
农业土壤中重金属铬的毒性水平已成为一个世界性的公共卫生问题,而且,仍有需要应用简单,环保,绿色,可持续发展和经济策略来解决这个问题。Buffel草(c . pennisetiformis)展品宽气候耐受性,并利用其干燥生物质在处理土壤中金属毒性水平可能有助于减轻土壤中铬的毒性32。初步,在体外实验中13浓度(20、40、60、80、100,150,200,250,300,350,400,450,和500 ppm)的铬(III)和铬(VI)表现出显著减少15天大番茄幼苗萌发和生长,而有毒的铬浓度的增加而增加(≥200 ppm)。此外,种子无法发芽超过400 ppm的Cr与幼苗的长度和生物量减少90%。回归分析和PCA-biplot也证实了更高浓度的抑制作用≥200 ppm的铬(III)和铬(VI)。此外,体内实验200、300和400毫克/公斤的铬(III)和铬(VI)进一步显示大幅下滑的40 - 90%和70 - 90%,分别增长特征(长度、新鲜和干重)60-day-old西红柿比控制。
在植物、种子萌发是第一个与周围的交换界面,当铬胁迫下萌发,种子活力的下降与核酸损伤和膜通过过度积累的ROS,这可能降低耗氧量和固定的储备食物材料的增长33。ROS和大信号组件之间的相互作用(钙引导、增殖激酶和激素信号),激活远程信号通路metal-induced氧化应激转化为高度特定的植物细胞信号。活性氧诱导高分子恶化、膜拆除和泄漏的离子在植物带来致命的影响34。氧消耗,以及中断运输水和矿物质(如钙、K和Mg),并记录异常细胞分裂的根源35,进而减少总生物量,最终减少植物产量36。此外,根尖细胞受损占Cr根细胞中积累,并在叶片叶肉细胞超微结构的损伤与拍摄下降的发展37。生物量增长抓住,抑制,改变植物的物理化学属性更高浓度下Cr已经注意到以前在番茄、芥末、鹰嘴豆、绿豆、茄子的植物36,37,38。
Cr毒性植物系统和其生理调制主要取决于数量的铬被植物吸收,其动员,各组织和随后的积累39。发现active-redox铬(VI)的吸收番茄植物的吸收大于铬(III),这可能是由于强烈的氧化潜力,更多的流动性,和可用性铬(VI)的工厂25。此外,铬(VI)很容易运到其他地方的植物,因为它需要磷酸和硫酸通路,而铬(III)通常是通过一个不活跃的途径运输37。此外,所有植物地区总铬积累与越来越铬浓度增加,这也提高了易位因子(铬(III): 1.12 - -1.3和铬(VI): 1.32 - -1.37)和生物浓缩因子[Cr(3): 70 - 290和铬(VI): 100 - 580)。此外,根累积Cr大于茎和叶,也揭示了TF和供应量。尽管如此,TF值大于1表示更高的金属易位从根植物的地上部分,而更高的供应量预计显示金属浓度在植物组织相对于生长介质40。结果是按照老的报告,高铬积累在根与金属有关固定在根细胞呈现并降低了天线的有毒部分41。
土壤混合CPB显著改善植物生长和生物量(1 - 4折)通过减少Cr番茄植物的吸收剂量依赖性的方式为2%比1% CPB心脏更有效。因此,显著减少总铬浓度的不同部分的西红柿还导致低价值特遣部队和供应量在体外循环的存在。Cr积累主要是局限于根,根接触时的生物量c . pennisetiformis。健壮的本质halophytic buffel草使它一个合适的候选人绑定铬离子在前面的研究报道,methanolic拍摄提取的数目的乙酸乙酯分子的地方c . pennisetiformis表示发生ethanone 1 - (2, 4、5 triethoxyphenyl);桉油精;棕榈酸乙酯;2,3-dihydro 1-benzofuran;1-propanol-2-2-hydroxypropxy;1-eicosene和E-15-heptadecenal)16。这些化合物可能是负责金属螯合、络合作用、静电作用和阳离子交换与其他机制。此外,这些化合物c . pennisetiformis在压力下可以直接帮助清除活性氧在植物吗42。Ghoneim et al。43还探讨了高浓度的重金属的积累包括CrCenchrus ciliaris由于酚醛树脂和其他抗氧化剂的含量高。同样,官员等。30.也记录了积累高浓度的大餐的根源c . pennisetiformis由于金属离子的高亲和力。cycloergost的发生、植醇、β-tocopherol根提取的不同Cenchrus种虫害已经证明展示金属清除行动31日。因此,减少铬积累增加番茄宽容通过提高土壤的生长和生物量的应用25。
转译后的变化进行了分析,通过sds - page展出茄植物生化和结构调整与体或没有金属接触后,可能由于胁迫蛋白的合成以及决定液泡植物螯合肽生物合成热休克蛋白质势在必行44。Cr的压力下,蛋白质乐队与高强度观察160 kDa(细胞色素c氧化酶、复杂IV),虽然其功能似乎土壤改良剂与CPB后恢复。另一个乐队属于糖蛋白(70 kDa)表现出更少的强度在所有治疗和控制。有趣的是,就是每人日薪12到50 kDa(当植物蛋白酶和国防responses-PR蛋白质)出现作为一个重要地区番茄叶,因为许多乐队的表达增强Cr曝光后在这个地区,而同一频段表现出正常的表达随着土壤混合后形成一些新的乐队。公关的关键作用蛋白质(几丁质酶(PR-3家庭),β-1,3-glucanases (PR-2家庭),和thaumatin-like蛋白质(PR-5家庭)已经被记载在植物适应压力环境45,46。同样,地区的变化17-15 KDa (PR-10)与先前发现的蛋白质相协调这一地区16 KDa金属接触后可以与不同的金属离子反应43。
所有三个PCA≥90%的数据变化来解释47。因子载荷矩阵提取biplot分析PCA来源于体外和体内研究表明,研究经济增长的负相关属性的番茄植物增加铬的浓度48。此外,体内金属积累,易位因子,生物浓缩因子呈正相关的治疗团体高度敏感。此外,所有治疗组II是位于对照组附近,这提出了Cloncurry草作为一种土壤改良剂的意义在缓解Cr的压力25。因此,混合CBP生物量或Cloncurry草可以用来减轻铬毒性番茄植物的毒性浓度下Cr特别是在200和300毫克/公斤。
结论
体外和体内生物分析表明,番茄种子萌发和幼苗生长高度敏感的200 - 400毫克/公斤的铬(III)和铬(VI)离子浓度。然而,土壤改良剂与生物量的2%c . pennisetiformis显示出更多成果显著降低金属毒性在200和300毫克/公斤的金属离子。通过蛋白质概要文件被链接的增长变化观察分析。土壤改良剂和2%的植物Cloncurry可以用来减少土壤中铬毒性的浓度范围内200 - 300毫克/公斤的金属离子通过改善番茄的健康。本研究将是一个里程碑对解决复杂环境问题引起的致癌重金属即,Cr使用Cloncurry buffel草。
材料和方法
实验室生物
番茄的种子品种la - 2662由蔬菜研究所,阿尤布农业研究所(费萨尔巴德,巴基斯坦)。实验研究在植物上符合相关制度,国家,国际指导方针和立法。十三浓度即。20、40、60,80,100,150,200,250,300,350,400,450,500 ppm的铬(III)和铬(VI)准备从股票的解决方案(1000 ppm)是使用硝酸铬[Cr(没有准备的3)39小时2O)和重铬酸钾(K2Cr2O7),分别。Pre-sterilized中板块(9厘米直径)内衬一层无菌滤纸和25个健康、表面消毒的种子番茄var。la - 2662放置在每个盘子。种子是滋润3毫升每个13浓度的铬(III)和铬(VI)分开。控制中盘子被浇注准备3毫升蒸馏水的种子。四组29疗法是在生长箱25±2°C 10 h光周期为15天。发芽种子的比例,长度、新鲜和幼苗干重记录发芽后15天。幼苗干重的测定烘干后在70°C至恒重。
盆栽试验
温室实验进行的陶壶(20厘米直径30厘米高)试验站的农业科学学院,大学的旁遮普省拉合尔,巴基斯坦。三个浓度即200、300和400毫克/公斤的铬(III)和铬(VI)选择从实验室筛查试验进行盆栽试验。土壤上升了200、300和400毫克/公斤的铬(III)和铬(VI),和non-spiked土壤被控制。均化和干燥,土壤是15天。然后metal-spiked盆栽土壤与生物质混合Cloncurry buffel草(CPB)。整个植物buffel草收集从拉合尔,巴基斯坦,巴基斯坦贸易控制根据规定规则的野生动植物法案,2012年。是被艾尔沙德Javaid博士教授(农业科学学院,旁遮普大学,拉合尔,巴基斯坦),分配凭证。GC。机器人。赫伯特。825年,沉积在苏丹艾哈迈德博士标本,植物学,GC大学,拉合尔,巴基斯坦。 The plants were washed, dried at 45 °C, powered, and thoroughly mixed @ 1% and 2% (w/w) in potting soil. Tomato variety LA-2662 seedlings with 4–5 leaves were transplanted (3 seedlings per pot). A completely randomized experiment with a triplicate set of 21 treatments (Table2)被放置在一个温室(25°C±3;12小时光照和70%相对湿度)和湿度保持在田间持水量时用自来水冲洗。
所有21治疗进行了分析通过sds - page电泳的蛋白质的变化,属性和金属积累增长。
蛋白质由sds - page分析
总蛋白分离的叶片样品还是植物(300毫克)49。蛋白质样本运行在10% SDS - page凝胶(分离胶:1.5米三pH值8.8,SDS 10% (w / v), 30% (v / v)丙烯酰胺,10% (w / v) (NH4)2年代2O8tem, 0.05% (v / v);叠加凝胶:1米三pH值6.8,10% (w / v) SDS, 30%的丙烯酰胺,10% (NH)4)2年代2O8,0.01% (v / v) tem)。2μL这种蛋白质的混合8μL 1×运行缓冲加载染料(60毫米三pH值6.8,25% (v / v)甘油,5% (w / v) SDS, 1% (v / v)饱和溴酚蓝)。孵化后30分钟在室温条件下,蛋白质是运行在1×SDS运行缓冲(250毫米三羟甲基氨基甲烷,液pH值8.3,500毫米甘氨酸,1% (w / v) SDS)在200 v蛋白质大小标记,直到染料从凝胶的最后1 - 2毫米。凝胶染色在Coomassie蓝着色溶液(0.1% (w / v)考马斯亮蓝,45% (v / v)甲醇和10% (v / v)乙酸)20 - 30分钟,然后用PAGE-destain洗(10% (v / v)醋酸,45% (v / v)乙醇)几次可视化蛋白质。凝胶透照了LED灯(帝WUV-L50,韩国)和图像捕获与数码相机(佳能850 d)。
增长的化验和金属分析
经过60天的播种、长度、新鲜和干重的植物在21治疗记录。干根、茎和叶的植物样本被粉,和消化分别使用2毫升70% v / v硝酸在100ºC 2 h曝光50通过原子吸收光谱和分析对总铬浓度(热科学冰3000系列)。易位因子计算由以下方程:
Cshoot和Croot金属浓度的拍摄和根植物,分别。TF > 1代表易位的金属有效射击的根51。生物浓缩因子(供应量)使用以下公式计算52:
∗特征:SMC:拍摄金属浓度,SDW:射干重;RMC:根金属浓度,RDW:根干重。
统计分析
表型数据的属性进行了分析通过LSD测试(p≥0.05)应用于识别使用8.1统计显著差异。数据的体外实验中比较最适合的数据趋势。主成分分析进行总结治疗的变化,来确定测量特征之间的关联。
伦理批准
所有程序在这个实验中进行了按照指导方针有关大学的大学的旁遮普,巴基斯坦拉合尔。
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确认
旁遮普大学,拉合尔,巴基斯坦感谢提供设施来完成这项任务。
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贡献
A.S.设计和监督实验、分析数据统计,所有数据和表,和写的手稿;”栏目进行实验,收集数据;抗干扰设计和指导实验。所有实质性贡献的作者最后的手稿和这个提交批准。
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相互竞争的利益
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Shoaib,。,得以,S。&Javaid, A. Cloncurry buffel grass mitigated Cr(III) and Cr(VI) toxicity in tomato plant.Sci代表1220952 (2022)。https://doi.org/10.1038/s41598 - 022 - 25604 - 5
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