Physiological and molecular responses to cadmium in mycorrhizal and nonmycorrhizal pea
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Abstract EN:
Cadmium (Cd) pollution in soils affects the development of plants and rhizosphere microorganisms, including arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). In this work, we studied Cd-arbuscular mycorrhiza (AM) interactions in Pisum sativum L. In relation to AM effects on metal toxicity, molecular responses related to detoxification mechanisms by metallothioneins (MT) and phytochelatins (PC), and genotypic variation vis-à-vis Cd stress in pea genotypes. Physiological disturbance by soil Cd pollution was observed in three pea genotypes (cv. Frisson, VIR4788, VIR7128) by typical symptoms (chlorosis, decreases in turgor, leaf dessication), decrease in biomass production and reductions in photosystem II activity. Inoculation of plants with the AMF G. Intraradices (BEG 141) attenuated the negative impact of Cd on the growth and photosynthetic activity of the three pea genotypes, but genetic variability existed in the extent of this buffering effect of AM. AM significantly increased the concentration of Cd in shoots of cv. Frisson and VIR4788, and decreased root concentrations in cv. Frisson. The protective effect of AM against HM was not linked to an improved P nutrition. AM enhanced activation of pea genes encoding a heat-shock protein 70, MTs, a homoglutathione synthetase and a phytochelatin synthetase, but not accumulation of thiol groups in Cd-exposed roots. Levels of Cd accumulation in Cd-stressed plants were higher in roots (20-50-fold) than shoots, and the large majority of absorbed Cd (94-97%) was retained in the root systems of the three pea genotypes. A higher accumulation of Cd in roots and/or pods of cv. Frisson and VIR7128 suggested that these genotypes are more tolerant to the HM than VIR4788. The expression of stress-related plant genes, MT-encoding genes, as well as genes involved in the synthesis of enzymes participating in glutathione (GSH) metabolism, a precursor of PCs, increased in pea roots exposed to Cd. Genetic variability in the three pea genotypes vis-à-vis Cd pollution was confirmed by expression analysis of three stress-related genes, the genes involved in detoxification pathways, as well as accumulation of thiol groups. The symbiotic association pea-AMF constitutes a potential strategy for revegetation of soils severely fragilised by HM.
Abstract FR:
La pollution par le cadmium (Cd) dans les sols affecte le développement des plantes et des microorganismes rhizosphériques, dont les champignons mycorhizogènes à arbuscules (MA). Nous avons étudié les interactions Cd-mycorhize à arbuscules chez Pisum sativum L. En relation avec les effets de la mycorhization sur la toxicité métallique, les réponses moléculaires liées aux mécanismes de détoxification par les métallothionéines (MT) et les phytochélatines (PC), et la variation génotypique du pois vis-à-vis du stress induit par Cd. Des perturbations physiologiques dues à la pollution par le Cd dans le sol ont été observées chez trois génotypes de pois (cv. Frisson, VIR4788, VIR7128) qui présentent des symptômes typiques (chlorose, perte de turgescence sécheresse des feuilles), une diminution de la production de biomasse ainsi que de l'activité du photosystème II. L'inoculation des plantes avec le champignon MA Glomus intraradices (BEG 141) atténue l'impact négatif du Cd sur la croissance et l'activité photosynthétique des trois génotypes, mais une variabilité génotypique a été observée pour l'effet tampon de la mycorhization. La mycorhization augmente de manière significative la concentration de Cd dans les feuilles de cv. Frisson et VIR4788, et diminue la concentration dans les racines de cv. Frisson. Le rôle protecteur de la mycorhization vis-à-vis du Cd n'est pas lié à l'amélioration de la nutrition phosphatée. La mycorhization augmente l'activation de gènes de pois codant une heat-shock protein 70, des MTs, une homoglutathione synthétase et une phytochélatine synthétase, mais n'affecte pas l'accumulation des groupes thiol. L'accumulation de Cd chez les plantes traitées est plus élevée dans les racines (20-50 fois) que dans les feuilles, et la plupart du Cd absorbé (94-97%) est retenu dans les systèmes racinaires des trois génotypes. L'accumulation plus élévée de Cd dans les racines et/ou gousses chez cv. Frisson et VIR7128 suggère que ces deux génotypes sont plus tolérants au métal lourd que VIR4788. L'expression des gènes de stress, des gènes codant les MT, ainsi que les gènes impliqués dans la synthèse d'enzymes du métabolisme du glutathione (GSH), le précurseur des PCs, a augmenté dans les racines de pois en présence de Cd. Une variabilité génétique chez les trois génotypes vis-à-vis de la pollution par le Cd a été confirmée par l'analyse de l'expression de trois gènes de stress, les gènes des voies de détoxification, ainsi que par l'accumulation de groupes thiol. L'association symbiotique pois-champignon MA constitute une stratégie potentielle pour la revégétation des sols sévèrement fragilisés par les métaux lourds.