Effect of cadmium growth and antioxidant enzymes in two barley cultivars

Abstract

ÖZET Kadmiyum (Cd) kirlenmesi, giderek yaygınlık gösteren ve insan sağlığını ve bitkisel üretimi etkileyen bir çevresel problemdir. Kadmiyum toksitesine karşı yüksek düzeyde bir genetiksel dayanıklılık gösteren genotiplerin geliştirilmesi, bitkisel üretim üzerinde Cd toksitesinin olumsuz etkilerini azaltmak için dikkate alınabilecek bir strateji olarak görülebilir. Bu yüksek lisans çalışmasında iki arpa çeşidi (Tokak and Hamidiye) kullanılarak arpada Cd toleransının düzeyi çalışıldı. Denemeler besin çözeltisi ortamında yürütüldü ve çeşitlerin Cd toleransı i) yaprak belirtilerinin gelişimi ve lipid peroksidasyonu, ii) kuru maddede azalmalar, iii) Cd alımı ve bitkide akümülasyonu ve iv) yapraklarda antioksidatif savunma sistemlerindeki değişiklikler (superoksit dismutaz, askorbat peroksidaz, glutation redüktaz, katalaz, askorbik asid ve SH-grupları) düzeyinde belirlendi. Kadmiyum toksisitesi semptomlarının yapraklardaki şiddeti ve gelişme hızı dikkate alındığında, arpa çeşitlerinden Hamidiye'nin Cd toksitesine çok duyarlı olduğu saptanmıştır. Kadmiyum uygulanmasıyla, ilk 48 saat içerisinde Hamidiye'nin yapraklarında çok hızlı ve şiddetli Cd toksisitesi semptomları görülürken, Tokak'ta bu semptomlar cok daha hafif görülmüştür. Kadmiyum Hamidiye' de lipid peroksidasyonun seviyesini arttırken Tokak'ta bir değişime yol açmamıştır. Tokak ve Hamidiye arasındaki kadmiyum toksitesine karşı farklı duyarlılıkta, kök ve yapraklardaki Cd konsantrasyonun rolü olmadığı saptanmıştır. Her iki arpa çeşidinde de Cd konsantrasyon ve birikiminin (bitki başına toplam Cd miktarı) benzer olduğu bulunmuştur. Kloroplasttaki hidrojen peroksit detoksifikasyonunda görev alan enzimlerin aktiviteleri ve superoksit radikalinin detoksifikasyonunu sağlayan superoksit dismutaz aktivitesi Cd uygulamalarıyla Hamidiye'de belirgin artış göstermiştir. Buna karşın Tokak'ta, enzim seviyelerinde ya hiç artış gözlenmemiş ya da çok az bir artış görülmüştür. Her iki arpa çeşidinde de, katalazaktivitesi Cd uygulamasından etkilenmemiştir. Bu sonuçlar, kadmiyumun özellikle kloroplastaki savunma enzimlerinin aktivitesini etkilediğini göstermektedir. Sonuçlar, iki çeşidin kadmiyum toksitesini tolere edebilme özelliği açısından aralarında büyük bir genetiksel farklılığın olduğunu ortaya koymuştur. Kadmiyum toleransı açısından iki çeşit arasındaki farklılığın Cd alınımı ve birikimi ile ilgili olmadığı saptanmıştır. Bu da içsel mekanizmaların arpada Cd toleransında önemli olduğunu işaret etmektedir. Kadmiyum toksitesine çok duyarlı olan Hamidiye'de antioksidatif mekanizmasının Cd uygulamalarıyla artışa uğraması, Hamidiye'de reaktif oksijen türevlerinin üretildiğini ve bir oksidatif tahribatın ortaya çıktığım göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Kadmiyum, arpa çeşitleri, reaktif oksijen türevleri, oksidatif stres ve antioksidatif enzimler.

ABSTRACT Cadmium (Cd) pollution is a growing environmental problem affecting human health and crop production. One strategy to minimize adverse affects of Cd toxicity on crop production is to develop plant genotypes having higher genetical ability to tolerate Cd toxicity. In the present MSc study, using two barley {Hordeum vulgare) cultivars (Tokak and Hamidiye) nutrient solution experiments were conducted to study genotypic variation in tolerance to Cd toxicity based on i) development of leaf symptoms and lipid peroxidation, ii) decreases in dry matter production, iii) Cd uptake and accumulation and iv) changes in antioxidative defence system in leaves (i.e., superoxide dismutase, ascorbate peroxidase, glutathione reductase, catalase, ascorbic acid and non-protein SH-compounds). Plants were grown in nutrient solution under controlled environmental conditions, and subjected to increasing concentration of Cd (e.g., 0, 15, 30, 60 and 120 uM Cd) for different periods. The results obtained showed that among the barley cultivars Hamidiye is particularly sensitive to Cd as judged from the severity and development time of Cd toxicity symptoms on leaves. Within 48 h Hamidiye developed very rapidly and severely leaf symptoms of Cd toxicity while in Tokak the leaf symptoms of Cd toxicity appeared only slightly. Hamidiye also tended to show stronger decreases in growth caused by Cd supply for 48 h. Cadmium supply enhanced the level of lipid peroxidation in Hamidiye, but remained without effect in Tokak. The differences in sensitivity to Cd between Tokak and Hamidiye were not related to Cd concentrations in roots or shoots. Both barley cultivars were more or less similar in both concentration and accumulation (amount of Cd per plant) of Cd. The activities of enzymes involved in detoxification of hydrogen peroxide in chloroplasts and the activity of superoxide dismutase, scavenger of superoxide radical, were markedly enhanced inHamidiye by increasing Cd supply. However, in the case of Tokak there was either only a slight increase or no change in the levels of the enzymes. Interestingly, in both barley cultivars the activity of catalase was not influenced by Cd supply, indicating a particular affect of Cd on defence enzymes located in chloroplasts. The results indicate existence of a large genotypic variation between barley cultivars for Cd tolerance. The differential Cd tolerance found in the barley cultivars was not related to uptake or accumulation of Cd in plants, indicating importance of internal mechanisms in expression of differential Cd tolerance in barley. Particular increases in antioxidative mechanisms in Cd-sensitive barley cultivar Hamidiye as a response to increasing Cd supply suggest that high Cd sensitivity of Hamidiye is related to enhanced production and oxidative attack of reactive oxygen species (ROS). Keywords: Cadmium, barley cultivars, reactive oxygen species, oxidative stress and antioxidative enzymes.