Cadmium-induced effects on the ethylene pathway and the link with oxidative stress in Arabidopsis thaliana

Abstract

Elevated concentrations of toxic metals such as cadmium (Cd) in soils, primarily caused by anthropogenic sources (e.g. mining), are a severe problem worldwide. Plants grown on contaminated soils accumulate Cd, which consequently enters the food chain, eliciting a major threat to the public health. In plants, Cd disturbs several developmental (e.g. growth) and physiological (e.g. photosynthesis) processes. Despite its non redox-active character, Cd is also capable of inducing the production of reactive oxygen species (ROS) at the cellular level, resulting in an oxidative challenge. Excessive ROS react with virtually all biomolecules, causing cellular damage. However, controlled levels of ROS, maintained by the antioxidative defence system, act as signal transduction molecules contributing to plant acclimation to abiotic stress such as exposure to Cd. Increasing evidence suggests an existing relation between cellular redox signalling and phytohormones, key regulators of plant growth and development, in order to control defence responses. Furthermore, the phytohormone ethylene, often considered as the ‘stress hormone’, is known to mediate hormone and redox signalling processes during abiotic stress. The stress-induced oxidative burst as well as the biosynthesis of glutathione (GSH), an important antioxidant during Cd stress, were already shown to be mediated by ethylene. Therefore, the aim of the current work was to unravel the involvement of ethylene biosynthesis and signalling during the Cd-induced oxidative challenge induced by sublethal Cd concentrations (5 and 10 µM Cd) in Arabidopsis thaliana.

Verhoogde gehaltes aan toxische metalen zoals cadmium (Cd) in bodems zijn voornamelijk veroorzaakt door menselijk activiteiten zoals mijnbouw en vormen een wereldwijd probleem. Planten die op deze verontreinigde bodems groeien, stapelen Cd op en via consumptie van dit gecontamineerd plantaardig voedsel komt Cd vervolgens in de voedselketen terecht. Hierdoor vormt het een ernstige bedreiging voor de volksgezondheid. Planten blootgesteld aan Cd ondervinden verstoringen in verschillende fysiologische processen (vb. fotosynthese) met een verminderde groei tot gevolg. Hoewel Cd geen redox-actieve eigenschappen bezit, veroorzaakt het toch een toename van reactieve zuurstofvormen (ROS) op cellulair niveau. Een overmaat aan ROS kan enerzijds oxidatieve schade toebrengen aan verschillende cellulaire componenten, maar anderzijds zijn het belangrijke signaalmoleculen die bijdragen tot de bescherming van de plant tegen abiotische stress zoals Cd. Activatie van het antioxidatief verdedigingssysteem zorgt voor het behoud van de hoeveelheid ROS binnen fysiologische grenzen. Uit recent onderzoek blijkt dat er een relatie bestaat tussen redox-signalisatie en planthormonen in de verdediging van de plant tegen stress. Daarnaast zijn deze planthormonen ook belangrijk tijdens de groei en ontwikkeling van de plant. Ethyleen wordt vaak beschouwd als stresshormoon en is zowel betrokken bij de productie van ROS als bij de biosynthese van glutathion (GSH), een belangrijk antioxidant tijdens Cd stress. Het doel van deze studie is bijgevolg de rol van ethyleenproductie en -signalisatie te ontrafelen in Arabidopsis thaliana planten die oxidatieve stress ervaren als gevolg van blootstelling aan sublethale Cd concentraties (5 en 10 µM).