Integrated approach of anatomical, physiological an Integrated approach of anatomical, physiological and cal, physiological andbiochemical parameters for biochemical parameters for the study of tolerance mechanisms to cadmium in tomato accessions

Abstract

Tomato (Solanum lycopersicum L.) consumption has increased every year due to the fruit attractiveness, several utilizations, and beneficial effects for human health. However, tomato fruits can accumulate a Cd concentration that exceeds the safety threshold for human consumption of vegetables, even when plants are grown in soil with acceptable Cd level. Cd is a non-essential, hazardous element to biological systems, triggering several diseases in humans. In plants, Cd disturbs the antioxidant machinery, changes the nutritional status, and impairs the photoassimilate production and/or partitioning, hence reducing fruit yield and quality. However, distinct tomato accessions can present contrasting tolerance degree to Cd toxicity, as detected by our group in previous studies. The use of these accessions is a powerful approach to identify strategies employed by plants to cope with Cdinduced challenges, and the acknowledgement of such strategies can be potentially used in breeding and biotechnological programs to improve fruit yield and quality in crops that were cultivated in contaminated fields. The set of studies that compose the present thesis aimed (i) to identify the main mechanisms for the contrasting tolerance degree to Cd-induced toxicity in tomato accessions after short and long-term Cd exposure; (ii) to evaluate the relationship among tolerance degree and fruits attributes in plants that were grown in Cd-containing soil, and (iii) to determine the transgenerational effects of Cd-induced stress. In the first experiment, nine tomato accessions with a varied tolerance degree, which was based on biomass accumulation, to Cd exposure were grown in hydroponic solution containing CdCl2 35 µM for 6 days. Avoidance of high magnesium (Mg) concentration in roots was identified as a plant strategy to mitigate Cd toxicity by preventing formation of root hairs. Regarding the mode of action of Cd toxicity, manganese (Mn) excess in leaves, in addition to the high Cd concentration per se, seems to be coupled to leaf damages that are enhanced by the increased zinc (Zn) and boron (B) concentrations in the photosynthetic tissues. In the second experiment, tolerant (Yoshimatsu) and sensitive (Tropic Two Orders) genotypes were grown in Cd-containing soil, in order to evaluated production parameters. After plant exposure to Cd, the tolerant genotype presented an increased fruit diameter, height and weight, when compared to the control plants. In both cultivars, Cd concentration varied according to the following descending order: roots = leaf blade > (floral receptacle, peduncle and sepals) > stem = fruit peel = fruit pulp. Moreover, data suggested that floral receptacle and its relatedstructures acted as a barrier to the Cd transportation to the fruits, but it was not enough to avoid Cd reaching the fruits. Furthermore, Cd exposure provoked remarkable reductions in the Mg concentration in roots of sensitive and tolerant genotypes, revealing that both tomato cultivars are able to employ this mechanism for plant acclimation to long-term Cd exposure. Considering such information, it is possible that, under the short-term Cd exposure, tolerant accessions activate this mechanism either early or faster than sensitive genotypes. In addition, positive transgenerational effects on seed germination and vigor of the tolerant genotype were triggered by the plant-mother cultivation in Cd-containing media, despite of the increased chromosomal abnormality. This work reported new insights about the effects of Cd exposure on tomato development, tolerance mechanisms, fruit quality and yield of tomato, as well as Cd distribution in the plants.

Consumptie van tomaten (Solanum lycopersicum L.) neemt jaarlijks toe omwille van de aantrekkelijkheid van deze groente, verschillende toepassingen ervan in de voeding en zijn gunstige effecten op de humane gezondheid. Tomaten kunnen echter een concentratie van cadmium (Cd) accumuleren die de veiligheidsdrempel overschrijdt voor humane consumptie, zelfs wanneer planten in bodems met een toegelaten Cd niveau worden geteeld. Cd is een niet-essentieel, toxisch element voor biologische systemen, en kan bij de mens verschillende ziekten veroorzaken. In planten verstoort Cd de antioxidatieve mechanismen en het beïnvloedt de nutriëntenbalans en de fotosynthese, waardoor de opbrengst en de kwaliteit van de tomaten worden verminderd. Er zijn echter heel wat tomatenvariëteiten die een verschillende graad van tolerantie voor Cd vertonen zoals reeds door onze onderzoeksgroep in eerdere studies is aangetoond. Het gebruik van deze variëteiten biedt een interessante manier om strategieën te bestuderen die planten gebruiken om om te gaan met deze Cd-geïnduceerde stress. Een betere kennis van deze mechanismen kan potentieel worden gebruikt in specifieke teelt- en biotechnologische programma's om de opbrengst van gewassen en de kwaliteit ervan te verbeteren. De verschillende hoofdstukken waaruit het proefschrift is samengesteld focussen op (i) het identificeren van de hoofdmechanismen van de tegengestelde tolerantiegraden voor Cd-geïnduceerde toxiciteit bij verschillende tomatenvariëteiten na korte en langdurige blootstelling aan Cd; (ii) de evaluatie van de relatie tussen tolerantiegraad en fysico-chemische parameters van tomaten die in Cd-houdende bodem werden geteeld en (iii) de analyse van de transgenerationele effecten van Cd-geïnduceerde stress. In het eerste hydrocultuur experiment werden 9 tomatenvariëteiten met verschillende tolerantiegraad, gebaseerd op accumulatie van de biomassa, blootgesteld gedurende 6 dagen aan 35 µM CdCl2. Het vermijden van hoge concentraties van Mg in wortels werd geïdentificeerd als een mogelijke plantstrategie om Cd-toxiciteit te verminderen door de wortelintegriteit te ondersteunen en de vorming van wortelharen te voorkomen. Wat de werking van Cd-geïnduceerde toxiciteit betreft, lijkt een overmaat aan mangaan (Mn) naast een hoge Cd concentratie ook gekoppeld aan bladschade die verergert door de verhoogde zink (Zn) en borium (B) concentraties in de fotosynthetische weefsels. In het tweede experiment werden tolerante (Yoshimatsu) en gevoelige (Tropic Two Orders) genotypes geteeld gedurende de volledige biologische cyclus in Cd-houdende bodem om de productieparameters te evalueren. Beide genotypes vertoonden geen verschillen in het aantal vruchten na blootstelling aan Cd. Er werd echter een verhoogde vruchtdiameter alsook een toename in grootte en gewicht van de tomaten waargenomen in tolerante tomaten na blootstelling aan Cd in vergelijking met de controleplanten. In beide cultivars varieerden de Cd-concentraties naargelang volgende aflopende reeks: wortels = blad > (bloembodem, bloemsteel en kelkbladeren) > stengel = schil van de tomaat = vlees van de tomaat. Bovendien konden uit de gegevens worden afgeleid dat de bloembodem als een barrière voor het Cd transport naar de vruchten optreedt, maar dit is onvoldoende om te voorkomen dat Cd de vruchten bereikt. Bovendien veroorzaakte Cd blootstelling duidelijke reducties in de Mg concentratie in wortels van gevoelige en tolerante genotypen, waarbij duidelijk werd dat beide tomatencultivars dit mechanisme kunnen gebruiken voor de aanpassing aan langdurige Cd blootstelling. Dit mechanisme wordt waarschijnlijk eerder of sneller geactiveerd in de tolerante variëteit in vergelijking met het gevoelige genotype. Tot slot werden positieve transgenerationele effecten op zaadkieming en kiemkracht van het tolerante genotype waargenomen wanneer de moederplant op Cd-houdende media werd opgegroeid ondanks de verhoogde chromosomale abnormaliteit. Dit werk beschrijft nieuwe inzichten over de effecten van Cd blootstelling op de ontwikkeling van tomaten, tolerantiemechanismen, vruchtkwaliteit en tomaatopbrengst, evenals Cd distributie in de planten.