Nickel toxicity in Brassica rapa seedlings: Impact on sulfur metabolism and mineral nutrient content

Prajapati, Dharmendra H.; Ausma, Ties; de Boer, Jorik; Hawkesford, Malcolm J.; De Kok, Luit J.

Throughout the world anthropogenic activity has resulted in enhanced soil nickel (Ni2+) levels, which may negatively affect plant productivity. The physiological background of Ni2+ phytotoxicity is still largely unclear. Ten-day exposures of Brassica rapa seedlings to 1, 2 and 5 μM NiCl2 resulted in strongly enhanced tissue Ni levels, a decreased biomass production and leaf chlorosis at ≥ 2 μM Ni2+. At 5 μM Ni2+ plant growth was completely halted. Ni toxicity occurred when the content of the shoot exceeded 1.0 μmol g–1 dry weight and that of the root, 23 μmol g–1 dry weight. Ni2+ exposure at ≤ 2 μM only slightly affected the mineral nutrient content of both shoot and root. Hence, Ni2+ exposure hardly affected the sulfur metabolite content of the plant. At ≥ 1 μM Ni2+ the total sulfur content of the root was only slightly lowered, which could fully be ascribed to a decreased sulfate content. Moreover, the water-soluble non-protein thiol content of both shoot and root was only enhanced at 5 μM Ni2+. From these results it was clear that sulfur metabolism was unlikely to be directly involved in the Ni2+ tolerance mechanisms of B. rapa.

Weltweit haben anthropogene Aktivitäten zu erhöhten Nickelgehalten im Boden (Ni2+) geführt, was sich negativ auf die Pflanzenproduktivität auswirken kann. Der physiologische Hintergrund der Ni2+ Phytotoxizität ist noch weitgehend unklar. Eine zehntägige Exposition von Brassica rapa Sämlingen mit 1, 2 und 5 μM NiCl2 führte zu stark erhöhten Ni Gehalten im Gewebe, einer verringerten Biomasseproduktion und zu Blattchlorosen bei Konzentrationen von ≥ 2 μM Ni2+. Bei einer Konzentration von 5 μM Ni2+ war kein Pflanzenwachstum mehr zu beobachten. Eine Ni Toxizität trat auf, wenn der Ni Gehalt im Sprosses 1,0 μmol g–1 Trockengewicht und der in der Wurzel 23 μmol g–1 Trockengewicht überschritt. Eine Ni2+ Exposition von 2 μM beeinflusste den Mineralstoffgehalt in Spross und Wurzel nur geringfügig. Daher beeinflusste eine Ni2+ Exposition die Gehalte an Schwefelmetaboliten in der Pflanze kaum. Bei ≥ 1 μM Ni2+ war der Gesamtschwefelgehalt der Wurzel nur geringfügig erniedrigt, was vollständig auf einen verminderten Sulfatgehalt zurückzuführen war. Darüber hinaus war der Gehalt an wasserlöslichen Nicht-Protein-Thiolen sowohl im Spross als auch in der Wurzel nur bei 5 μM Ni2+ erhöht. Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass der Schwefelstoffwechsel wahrscheinlich nicht direkt an den Ni2+ Toleranzmechanismen von B. rapa beteiligt ist.

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Prajapati, Dharmendra / Ausma, Ties / de Boer, Jorik / et al: Nickel toxicity in Brassica rapa seedlings: Impact on sulfur metabolism and mineral nutrient content. 2020.

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