Estudo comparativo do efeito do cádmio em plantas e calli de Helianthus annuus L.: avaliação de parâmetros de crescimento, senescência, e do metabolismo da prolina

Abstract

O cádmio é um dos metais pesados com maior poder contaminante, dado a sua elevada acumulação no meio ambiente. Neste trabalho pretendeu-se avaliar o efeito de elevadas concent rações de cádmio ( 5, 50 e 500 ?M) em calli de girassol (Helianthus annuus L cv. SH222) a crescer em meio MS e em plantas da mesma cultivar em cultura hidropónica. A análise do efeito do cádmio no crescimento das plantas e dos calli foi feita pela comparação de taxas de crescimento e pela avaliação de alguns parâmetros normalmente usados como indicadores de senescência: conteúdo de clorofilas, eficiência fotossintética, conteúdo de proteínas solúveis, permeabilidade membranar e teor hídrico. Avaliou-se ainda o efeito do cádmio na acumulação de nutrientes nos vários órgãos das plantas e nos calli. Finalmente, também se avaliou o efeito do cádmio no conteúdo da prolina, um aminoácido tradicionalmente associado a situações de stress, bem como o efeito deste metal na actividade de enzimas envolvidas no seu metabolismo: P5Cr, OAT e oxidase da prolina. Foi possível verificar que elevadas concentrações de cádmio provocam atrasos de crescimento, diminuindo o comprimento da porção aérea da planta bem como reduzindo os pesos fresco e seco das plantas e calli. O cádmio induziu ainda senescência nas plantas pois baixou a eficiência fotossintética, o contéudo em clorofilas (apenas até concentrações de 50 ?M), e o conteúdo em proteínas solúveis. A exposição a elevadas concentrações de cádmio levou ainda a degradação membranar nas plantas. Nos calli deste genótipo, elevadas concentrações de cádmio afectaram apenas os pesos fresco e seco e a concentração de proteínas solúveis. Após 21 dias de tratamento, a exposição a cádmio não afectou os conteúdos de Mg, P, Cu, Zn e B nas plantas, decresceu o conteúdo de K, e aumentou os níveis daquele metal pesado. O conteúdo de cálcio decresceu na porção aérea, enquanto o Fe decresceu e o Mn aumentou na raiz. Ao fim do mesmo período de tempo, a exposição a cádmio não afectou de um modo geral a acumulação dos micronutrientes nos calli, excepto o Mn cujo conteúdo aumentou. Os macronutrientes não foram afectados nos calli expostos a cádmio. Relativamente ao metabolismo da prolina verificou-se que este aminoácido se acumula preferencialmente nas folhas e calli de girassol. Esta acumulação é acompanhada dum incremento da actividade da OAT em plantas e calli e da P5Cr em calli, assim como um decréscimo da actividade da oxidase da prolina em plantas e calli. Verificou-se que existe uma relação traduzida por uma equação polinomial entre a concentração do cádmio no meio e a redução de peso seco ao fim de 21 dias. Verificou-se que os calli são mais resistentes que as plantas, dado que apresentam um IC50 de 494 ?M relativamente ao das plantas que é de 429 ?M. Registe-se finalmente, que a acumulação de cádmio nas plantas e nos calli é linear em função do aumento da concentração de cádmio no meio de cultura, sendo superior nas raízes, seguindo-se a porção aérea e finalmente os calli. Os resultados indicam assim que os calli são mais resistentes que as plantas, e esta resistência pode relacionar-se com um menor efeito exercido na acumulação de nutrientes, menor acumulação de cádmio nos tecidos, assim como num menor efeito na degradação membranar. O cádmio também afecta de maneira diferente o metabolismo da prolina nas plantas do que nos calli. É assim de aconselhar precaução quando em ensaios deste tipo se pretenderem extrapolar resultados obtidos em culturas in vitro relativamente ao comportamento da planta intacta.

Cadmium is one of the heavy metal the most pollutant, as it is highly accumulated in the environment. The aim of this work was to evaluate the effects of high concentrations of cadmium (5, 50 and 500 ?M) in sunflower (Helianthus annuus cv. SH222) growing hidroponically and in calli of the same genotype growing on solid MS medium. The evaluation of cadmium effects on plants and calli growth was done by comparing growth rates and by determining some parameters usually associated with senescence: chlorophyll content, photosynthetic efficiency, soluble protein content and membrane integrity, and water content. It was also analysed the effect of cadmium in the accumulation of macro and micronutrients in the different plant organs and in calli. Finally it was determined the effect of cadmium in the accumulation of proline, an aminoacid usually associated with stress situations, and in the activities of some enzymes involved in proline metabolism: P5Cr, OAT and proline oxidase. High concentrations of cadmium decreased growth rates and shoot length as well as fresh and dry weighs of plants and calli. Cadmium also induced senescence in plants as it reduced photosynthetic efficiency, and chlorophyll content (up to the concentration of 50 ?M) as well as the content of soluble proteins. The exposure to high concentrations of cadmium also induced membrane degradation in plants. In calli, high concentrations of cadmium only affected fresh and dry weighs and decreased soluble protein contents. After 21 days of treatment, the exposure to cadmium did not affect the contents of Mg, P, Cu Zn and B in plants, and it decreased the content of K and increased cadmium accumulation. Calcium content also decreased in shoots while Fe decreased and Mg increased in roots. Macronutrient contents (except Mn) were not affected in calli exposed to cadmium. Proline accumulated at higher concentrations in leaves and calli of sunflower and its levels increased in cells exposed to cadmium. This accumulation is accompanied by an increase of OAT activity in plants and calli and of P5Cr in calli, while proline oxidase activity decreased in plants and calli. There was a correlation (observed by a polinomial equation) between the cadmium concentration in the medium and the decrease of dry weigh after 21 days of treatment. Calli were more tolerant to cadmium as they exhibited an IC50 of 495 ?M respectively to plants that had an IC50 of 429 ?M. Finally, it can be observed that the increase of cadmium accumulation in roots, shoots and calli was linear, as a function of cadmium content in the medium. Roots accumulated more cadmium, followed by shoots and then by calli. These results indicate that calli are more tolerant to cadmium than plants and that this resistance can be correlated probably with lower effects on nutrient accumulation, lower cadmium accumulation in tissues and also with lower membrane degradation. These results also show that cadmium had different effects on proline metabolism in calli. It should be advisable to be careful when one pretends to extrapolate results from assays of this kind obtained from in vitro cultures, to the behaviour of intact plants.