The effect of heavy metals on spring barley (Hordeum vulgara L. cultivar 'Aura DS') and cross adaptation regularities

Abstract

Heavy metals are among the most important and dangerous pollutants. Understanding of the plant resistance to various heavy metals exposure makes it possible to analyze the effect of heavy metals interactions on living organisms. The aim of this research was to investigate an impact of various heavy metals (copper, zinc, chromium, nickel, lead, cadmium) on spring barley (Hordeum vulgare L. cultivar ‘Aura DS’) and cross adaptation possibilities of barley to the impact of various heavy metals. It was for the first time in Lithuania, when using spring barley as an example; a study of various heavy metals accumulation patterns in different plant organs was made. It was found that different heavy metals have very different mobility and toxical effects on plant growth and photosynthetic pigments involved and their relative toxicity depends not only on the chemical and physical characteristics of the metal, but also on the impact strength. The increasing concentration of metals, first of all, increases trace elements (Cu, Zn) metals toxicity. Malondialdehyde concentration shows strength of oxidative stress induced by different heavy metals. It was found that metals, that cause stronger oxidative stress, had a stronger negative impact on photosynthetic pigments and barley growth. The possibility of the barley cross- adaptation to different heavy metal exposure was examined. It was found that the barley adaptation to cadmium and nickel was relatively low, the plant became more resistant to the exposure of nearly all of the other heavy metals, and the adaptation to lead and chromium exposure did not increase the resistance of the barley to the even stronger effects of the same metal.

Sunkieji metalai yra vieni iš svarbiausių ir pavojingiausių teršalų. Augalų atsparumo, skirtingų sunkiųjų metalų poveikiui, supratimas sudaro galimybes analizuoti sunkiųjų metalų tarpusavio sąveikos įtaką gyviesiems organizmams. Darbo tikslas – ištirti sunkiųjų metalų diferencijuotą ir kompleksinį poveikį vasariniams miežiams (Hordeum vulgare L. veislė ‘Aura DS’) ir įvertinti šios veislės kryžminio prisitaikymo skirtingų sunkiųjų metalų poveikiui galimybes. Lietuvoje pirmą kartą vasarinių miežių (Hordeum vulgare L. veislė ‘Aura DS’) pavyzdžiu detaliai ištirti sunkiųjų metalų (kadmio, vario, nikelio, cinko, švino, chromo) kaupimosi skirtinguose augalų organuose dėsningumai. Nustatyta, kad skirtingi sunkieji metalai pasižymi labai skirtingu mobilumu ir toksiniu poveikiu augalų augimui bei fotosintezėje dalyvaujantiems pigmentams, o jų santykinis toksiškumas priklauso ne tik nuo metalų cheminių bei fizinių savybių, bet ir nuo poveikio stiprumo. Didėjant metalų koncentracijai sparčiausiai didėja mikroelementams priskiriamų metalų (Cu, Zn) metalų toksiškumas. Pagal membranų lipidų peroksidacijos produkto – malondialdehido koncentraciją miežių lapuose įvertintas skirtingų sunkiųjų metalų sukeliamo oksidacinio streso stiprumas. Nustatyta, kad metalai sukeliantys stipresnį oksidacinį stresą darė stipresnį neigiamą poveikį fotosintezėje dalyvaujantiems pigmentams ir miežių augimui. Ištirti miežių kryžminės adaptacijos skirtingų sunkiųjų metalų poveikiui dėsningumai. Nustatyta, kad miežiai adaptuoti sąlygiškai silpnam kadmio ir nikelio poveikiui tapo atsparesni beveik visų kitų sunkiųjų metalų poveikiui, o adaptacija švino ir chromo poveikiui nepadidino miežių atsparumo net tų pačių metalų stipresniam poveikiui.