Mercury genotoxicity in Pisum sativum: cell cycle and DNA damage

Abstract

Mercury (Hg) is a highly spread environmental contaminant known to cause mutagenesis and clastogenicity in animals. Hg’s deleterious effects in plants, however, are poorly understood and thus it is urgent to evaluate its genotoxicity of this metal. To determine if in vivo exposure to Hg induced genotoxic effects, the following endpoints were evaluated: ploidy level, cell cycle arrest and DNA damage. Pea seeds were germinated in distilled water and grown in modified Hoagland’s medium with increasing concentrations of HgCl2 (0, 1, 10 and 100 μM). After 14 days of exposure, plant growth was recorded and the tissues were harvested for analysis. In general, Hg exposure affected most of the endpoints assayed being that roots were more affected than shoots. Plant growth was substantially impaired in plants exposed to 100 μM. The evaluation of the ploidy level revealed that only the 2C level was observed, for any of the conditions assayed. The cell cycle dynamics of roots presented heterogeneous variations caused by Hg exposure: 1 μM of Hg caused a delay in the transition from S to G2; 10 μM had cytostatic effect at the G0/G1 checkpoint and decrease of cell proliferation index (CPI). At 100 μM, the number of cells analyzed was significantly lower than in any other condition tested but the CPI and cell cycle dynamics of the surviving cells recovered to the value presented by 1 μM roots. DNA damage assessment proved that roots exposed to 100 μM presented severe DNA degradation, nuclear distortions, micronuclei formation and an accentuated decrease in the Mitotic Index. In conclusion, our results demonstrate that Hg severally affected the parameters assessed, causing cell cycle arrest and DNA damage. Moreover, the work presented here is the first report of Hg genotoxicity analysis by Flow Cytometry and Comet Assay in plants.

O Mercúrio (Hg) é um contaminante ubíquo no meio ambiente e que causa mutagenese e clastogenese em animais. É sabido que este metal tem efeitos prejudiciais para as plantas mas esse efeito está pouco estudado, sendo portanto urgente o estudo e avaliação do efeito deste metal ao nível do ADN. Com o intuito de determinar se a exposição in vivo de mercúrio pode induzir efeitos genotoxicos, foram avaliados os seguintes parâmetros: nível de ploidia, progressão do ciclo celular e danos no ADN. Para o efeito, sementes de ervilha foram germinadas em água destilada e crescidas em meio Hoagland’s modificado com concentrações crescentes de HgCl2 Após 14 dias de exposição, o crescimento das plantas foi medido e tecidos foram recolhidos para posterior análise. Em geral, o Hg afectou a maioria dos parâmetros medidos e as raízes foram mais afectadas do que a parte aérea. O crescimento foi severamente afectado nas plantas expostas a 100 μM. A avaliação do nível de ploidia revelou que para todos as concentrações testadas, o nível 2C não se alterou. A dinâmica do ciclo celular das raízes apresentou variações heterogéneas para as várias concentrações de Hg: em 1 μM houve um atraso na transição da fase S para G (0, 1, 10 e 100 μM). 2; com 10 μM foi observada uma paragem na fase G0/G1 e um decréscimo do índice de proliferação celular (IPC). A 100 μM, o número de células analisadas diminuiu significativamente, em comparação com as outras condições testadas mas o IPC e a dinâmica do ciclo celular das células sobreviventes apresentava valores semelhantes aos observados para 1 μM. A avaliação do dano no ADN revelou que a exposição de 100 μM foi a que afectou mais as células, apresentando grande degradação do ADN, distorção nos núcleos, formação de micronucleos e um acentuado decréscimo no índice mitótico. Em conclusão, os resultados demonstram que o Hg afecta drasticamente os parâmetros estudados, causando paragens no ciclo celular e dano no ADN. Além disso e pela primeira vez, são apresentados resultados sobre a toxicidade do Hg em plantas, usando as técnicas: citometria de fluxo e ensaio de cometas.