The role of brassinolide and melatonin in mitigating cadmium ion – induced stress in rootless duckweed (Wolffia arrhiza)

Abstract

Cadmium (Cd) is one ofthe most harmful elements for all living organisms. Exposure to Cd contributes to the induction of oxidative stress and the accumulation of reactive oxygen species (ROS). Melatonin (MT) and brassinolide (BL)exhibit antioxidant properties under oxidative stress, enhance the synthesis of antioxidants and PCs, and interact with other phytohormones,improving plant stress tolerance. Wolffia arrhiza (L.) Horkel ex Wimm. is a freshwater vascular plant characterized by the absence of stems, leaves, and roots. Iconducted a study on the effects of MT and BL on the response of W. arrhiza to Cd stress.Exogenous application of MT and BL effectively alleviated Cd toxicity bystimulating duckweed growth, and increasing metabolite levels, antioxidant enzyme activities and biosynthesis of GSH and PCs inresponse to Cd exposure. Reductions inH₂O₂ and MDA levels, as well as decreased Cd accumulation in W. arrhizacells, werealso observed.The study identified 29 phytohormones in W. arrhiza. Cd exposure increased the levels of ABA, MT and its precursors, BRs,and glucoside CKs conjugates, while it decreased the levels of AXs, GA₃, and free CKs. Treatment with MT or BL alone had either stimulatory or neutral effects on endogenoushormone levels. In contrast, the combined application of Cd with MT or BL elevated thelevels of AXs, BRs, free-bases of CKs, GA₃, and MT, while decreasing ABA level. The results of this study indicate the significant potential of MT and BL in enhancing plant resilience to Cd stress.

Kadm jest jednym z najbardziej szkodliwych pierwiastków dla wszystkich organizmów. Narażenie roślin na jony kadmu przyczynia się do indukcji stresu oksydacyjnego i gromadzenia reaktywnych form tlenu. Melatonina (MT) i brassinolid (BL) posiadają właściwości antyoksydacyjne w warunkach stresu oksydacyjnego i oddziałują z innymi fitohormonami, zwiększając tolerancję roślin na stres.Wolfia bezkorzeniowa (Wolffia arrhiza) (L.) Horkel ex Wimm. jest słodkowodną rośliną naczyniową, charakteryzującą się brakiem łodygi, liści i systemu korzeniowego. Przeprowadziłam badania dotyczące wpływu MT i BL na odpowiedź wolfii bezkorzeniowej na stres związany z jonami kadmu. Egzogennie zastosowana MT i BL skutecznie złagodziły toksyczne działanie metalu, poprzez stymulację wzrostu i zawartości badanych metabolitów, zwiększenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych ibiosyntezy GSH i PC w wolfii bezkorzeniowej traktowanej jonami kadmu. Zaobserwowałam spadek poziomu H2O2 i MDA oraz redukcję akumulacji kadmu w komórkach wolfii bezkorzeniowej.Przeprowadzone badania wykazały występowanie dwudziestu dziewięciu fitohormonóww wolfii bezkorzeniowej.Ekspozycja na kadm spowodowała zwiększenie poziomu ABA, MT i jej prekursorów, większości BR i glukozydów CK, oraz spadek zawartości AX, GA3 i niektórych CK. Natomiast łączne działanie kadmu z MT lub BL zwiększyło biosyntezę AX, BR, większości wolnych zasad CK, GA3 i MT, ale spowodowało zmniejszenie zawartości ABA.Uzyskane wyniki wskazują na znaczny potencjał MT i BL w zwiększaniu odporności roślin na stres związany z obecnością jonów kadmu.