A comparative study with commercial rootstocks to determine the tolerance to heavy metal (Pb) in the drought and salt stress tolerant eggplant breeding lines

Abstract

Negative effects of heavy metals on plants are peroxidation of lipids in cell membranes, production of free oxygen radicals, disorders in photosynthesis, damages in DNAs and as a result death of the cell. Plant development, productivity and quality of the fruits are decreased in the plants that are exposed to Pb stress which is one of the most toxic heavy metals. Usage of rootstocks which is mainly used against biotic stress conditions also seems to be defined as a solution to abiotic stress conditions such as heavy metal stresses. In eggplant production, wild species and hybrids are used as rootstocks against soil based pathogens and nematode. Reactions of improvement lines derived from local gene resources for rootstock improvement to heavy metal stress which is one of the abiotic stresses were determined. While determining the resistance against Pb stress, commercially used eggplant rootstocks are compared. In this study 4 eggplant cultivars (S. melongena: Burdur Bucak, Mardin Kızıltepe, Artvin Hopa and Kemer) whose resistance potential against salt and drought stresses had been previously revealed and 6 rootstocks of wild eggplant species or hybrids (AGR-703, Doyran, Hawk, Hikyaku, Köksal-F1 and Vista-306) were tested against Pb stress. Eggplant seedlings were applied to 0, 150 and 300 ppm Pb solutions (Pb(NO₃)₂) during 4-5 true leaf stage. 20 days after the stress application wet and dry weight of green parts and roots, height of the body part and leaf areas were measured. Pb tolerance of Köksal F1 and AGR703 rootstocks were higher than other commercial rootstocks. Mardin Kızıltepe and Burdur Merkez genotypes which have high tolerances against abiotic stress gave lower values with respect to Artvin Hopa and Kemer which are sensitive genotypes and many other rootstocks while comparing the reduction ratios of stress signs such as shoot fresh weight and shoot length according to control under Pb stress.

Keywords

• Heavy metal,Biomass,Genotype,Pb,Solanum sp.

Kuraklık ve tuz stresine toleransı yüksek patlıcan ıslah hatlarında ağır metal (Pb) toleransının belirlenmesine yönelik olarak ticari anaçlarla mukayeseli bir çalışma

Abstract

Bitkilerde ağır metallerin olumsuz etkileri, hücre membranlarındaki lipitlerin peroksidasyonu, serbest oksijen radikallerinin üretimi, fotosentezde bozukluk, DNA hasarı ve sonuç olarak hücre ölümüdür. En toksik ağır metallerden birisi olan kurşun (Pb) stresine maruz kalan bitkilerde bitki gelişimi, meyve verim ve kalitesi azalmaktadır. Ağır metal stresinin de aralarında yer aldığı abiyotik streslerin etkisini hafifletmek amacıyla, esasen kullanım amaçları biyotik stres etkenlerine dayanım sağlamak olan ‘anaç kullanımı’ bir çözüm olarak değerlendirilebilir görünmektedir. Patlıcan üretiminde toprak kökenli patojenler ve nematoda karşı, anaç olarak yabani türler ve hibritler kullanılmaktadır. Bu çalışmada, anaç ıslahına yönelik olarak yerel gen kaynaklarından geliştirilen ıslah hatlarının, abiyotik streslerden biri olan ağır metal stresine karşı olan tepkileri belirlenmiştir. Kurşun (Pb) stresine karşı dayanım durumlarının belirlenmesinde ticari olarak kullanılan patlıcan anaçları ile karşılaştırma yapılmıştır. Kuraklık ve tuz streslerine dayanım potansiyelleri daha önce ortaya konmuş olan 4 kültür patlıcanı (S. melongena: Burdur Bucak, Mardin Kızıltepe, Artvin Hopa ıslah hatları ve Kemer çeşidi) ile; 6 adet yabani patlıcan türleri veya hibritlerinden oluşan anaçlar (AGR-703, Doyran, Hawk, Hikyaku, Köksal-F1 ve Vista-306) Pb stresi bakımından test edilmiştir. Patlıcan fideleri 4-5 gerçek yaprak aşamasında 0, 150 ve 300 ppm Pb çözeltisi (Pb(NO₃)₂) uygulamasına tabi tutulmuştur. Uygulamadan 20 gün sonra bitkilerde yeşil aksam yaş ve kuru ağırlığı, kök yaş ve kuru ağırlığı, gövde ve kök uzunluğu, yaprak alanı belirlenmiştir. Köksal F1 ve AGR703 anaçlarının Pb toleransı diğer ticari anaçlara göre daha üstün bulunmuştur. Abiyotik stres toleransı yüksek Mardin Kızıltepe ve Burdur Merkez genotiplerinin Pb stresi altında yeşil aksam yaş ağırlığı ve gövde yüksekliği gibi stres belirtilerinin kontrole göre azalma oranları, hassas genotipler olan Artvin Hopa ve Kemer’e ve aynı zamanda bazı anaçlara göre daha az olmuştur.

Keywords

• Ağır metal,Biyomas,Genotip,Pb,Solanum sp.

References

1. Arao, T., Takeda, H., & Nishihara, E. (2008). Reduction of cadmium translocation from roots to shoots in eggplant (Solanum melongena) by grafting onto Solanum torvum rootstock. Soil Science & Plant Nutrition, 54(4):555-559.
2. Ayfer, M., & Çelik, M. (1977). Akça, Ankara ve Williams armut çeşitleri ile S.Ö. ayva anaçlarının uyuşumları üzerinde araştırmalar. TÜBİTAK VI. Bilim Kongresi, s:111-112.
3. Bandehagh, A. (2013). Comparative study of some characteristics in leaves and roots of two canola genotypes under lead stress. Journal of Plant Physiology & Breeding, 1(1):23-33.
4. Bharwana, S.A., Shafaqat, A.S., Farooq, M.A., Iqbal, N., Hameed, A., Abbas, F., & Ahmad, M.S.A. (2014). Glycine betaine-induced lead toxicity tolerance related to elevated photosynthesis, antioxidant enzymes suppressed lead uptake and oxidative stress in cotton. Turkish Journal of Botany, 38(2):281-292.
5. de Abreu, C.A., de Abreu, M,F., & de Andrade, J.C. (1998). Distribution of lead in the soil profile evaluated by DTPA and Mehlich-3 solutions. Bragantia, 57(1):185-192.
6. Demir, T., & Beyhan, N. (2000). Samsun ilinde yetiştirilen fındıkların seleksiyonu üzerine bir araştırma. Turkish Journal of Agriculture & Forestry, 24:173-183.
7. Düzeltir, B., & Yanmaz, R. (2004). Çekirdek kabağında (Cucurbita pepo L.) seleksiyon yoluyla ıslah. V. Sebze Tarımı Sempozyumu, 21-24 Eylül, Çanakkale, s:63-68.
8. Eun, S.O., Youn, H.S., & Lee, Y. (2000). Lead disturbs microtubule organization in the root meristem of Zea mays. Physiologia Plantarum, 110(3):357-365.

9. FAO (2014). Statistical database. http://faostat.fao.org/site/339/default.aspx Erişim tarihi: 15 Aralık 2015.
10. Fargasova, A. (1994). Effect of Pb, Cd, Hg, As and Cr on germination and root growth of Sinapis alba seeds. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 52(3):452-456.
11. Freed, R., Einensmith, S.P., Guets, S., Reicosky, D., Smail, V.W., & Wolberg, P. (1989). User’s guide to MSTAT-C, an analysis of agronomic research experiment. Michigan State University, USA.
12. Ghani, A., Shah, A.U., & Akhtar, U. (2010). Effect of lead toxicity on growth, chlorophyll and lead (Pb) content of two varieties of maize (Zea mays L.). Pakistan Journal of Nutrition, 9(9):887-891.
13. Hassan, M., & Mansoor, S. (2014). Oxidative stress and antioxidant defense mechanism in mung bean seedlings after lead and cadmium treatments. Turkish Journal of Agriculture & Forestry, 38(1):55-61.
14. Huang, Y.Z., Hu, Y., Liu, Y.X., & Zhu, Y.G. (2006). Effects of bone char on uptake and accumulation of heavy metals by three rice genotypes (Oryza sativa L.). Nongye Huanjing Kexue Xuebao, 25(6):1481-1486.
15. Hussain, A., Abbas, N., Arshad, F., Akram, M., Khan, Z.I., Ahmad, K., Mansha, M., & Mirzaei, F. (2013). Effects of diverse doses of Lead (Pb) on different growth attributes of Zea mays L. Agricultural Sciences, 4(5):262-265.
16. Janmohammadi, M., Bihamta, M.R., & Ghasemzadeh, F. (2013). Influence of Rhizobacteria inoculation and lead stress on the physiological and biochemical attributes of wheat genotypes. Cercetari Agronomice in Moldova, 46(1):49-67.
17. Jazi, S. B., Yazdi, H.L., & Ranjbar, M. (2011). Effect of salicylic acid on some plant growth parameters under lead stress in Brassica napus var. Okapi. Iranian Journal of Plant Physiology, 1(3):177-185.
18. Jiang, W., & Liu, D. (2000.) Effects of Pb+2 on root growth, cell division, and nucleolus of Zea mays L. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 65(6):786-793.
19. Kaur, G., Singh, H.P., Batish, D.R., & Kohli, R.K. (2012). Growth, photosynthetic activity and oxidative stress in wheat (Triticum aestivum) after exposure of lead to soil. Journal of Environmental Biology, 33(2):265-269.
20. Kıran, S., Özkay, F., Kuşvuran, Ş., Ellialtıoğlu, Ş. (2014). Tuz Stresine Tolerans Seviyeleri Belirlenmiş Bazı Genotiplerin Kuraklık Stresine Tepkilerinin Belirlenmesi. Gıda Tarım ve Hayvancılık Bakanlığı. Tarımsal Araştırmalar Genel Müdürlüğü Proje Sonuç Raporu: A-02.P-04, Ankara.
21. Kıran, S., Kuşvuran, Ş., Özkay, F., Özgün, Ö., Sönmez, K., Özbek, H., & Ellialtıoğlu, Ş.Ş. (2015a). Bazı patlıcan anaçlarının tuzluluk stresi koşullarındaki gelişmelerinin karşılaştırılması. Tarım Bilimleri Araştırma Dergisi, 8(1):20-30.
22. Kıran, S., Özkay, F., Kuşvuran, Ş., & Ellialtıoğlu, Ş.Ş. (2015b). Effect of lead of some morphological and biochmical properties in crisp lettuce plants (Lactuca sativa var. crispa). Iğdır Universty Journal of the Institute of Science and Technology, 5(1):83-88.
23. Mercan, T. (2005). Organik gübreleme yapılarak tarım ilacı kullanmadan ve klasik yöntem uygulanarak üretilen domatesler ile bunlardan elde edilen bazı ürünlerin kalitelerinin belirlenmesi. Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi, Bursa.
24. Miranda, M.G., & Ilangovan, K. (1996). Uptake of lead by Lemna gibba L. influnce on spesific growth rate and basic biochemical changes. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 56(6):1000-1007.
25. Mori, S., Uraaguchi, S., Ishikawa, S., & Arao, T. (2009). Xylem loading process is a critical factor in determining Cd accumulation in the shoots of Solanum melongena and Solanum torvum. Environmental Experimental Botany, 67(1):127-132.
26. Mroczek-Zdyrska, M., & Wójcik, M. (2012). The influence of selenium on root growth and oxidative stress induced by lead in Vicia faba L. minor plants. Biological Trace Element Research, 147(1-3): 320-328.
27. Sönmez, K. (2014). Likopen, ß-karoten ve morfolojik özellikler bakımından yerel sofralık domateslerde genotip x çevre interaksiyonu. Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Ankara.
28. Sharma, P., & Dubey, R.S. (2005). Lead toxicity in plants. Brazilian Journal of Plant Physiology, 17(1):35-52.
29. Savvas, D., Colla, G., Rouphael, Y., & Schwarz, D. (2010). Amelioration of heavy metal and nutrient stress in fruit vegetables by grafting. Scientia Horticulturea, 127(2):156-161.
30. Sugiyama, M., Ae, N., & Arao, T. (2007). Role of roots in differences in seed cadmium concentration among soybean cultivars-proof by grafting experiment. Plant and Soil, 295(1):1-11.
31. Talhouni, M. (2016). Patlıcanda tuzluluk stresine dayanımın artırılmasında anaçların ve yerel gen kaynaklarının etkinliği üzerinde araştırmalar. Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Ankara.
32. Toprakkarıştıran, G. (1997). Çekirdek kabaklarında seleksiyon Islahı: 1. döl kademesinin elde edilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Ankara.
33. Yaşar, F. (2003). Tuz stresi altındaki patlıcan genotiplerinde bazı antioksidant enzim aktivitelerinin in vitro ve in vivo olarak incelenmesi. Doktora Tezi, Yüzüncü Yıl Üniversitesi, Van.
34. Yılmaz, K., Akıncı, İ.E., & Akıncı, S. (2009). Effect of lead accumulation on growth and mineral composition of eggplant seedlings (Solanum melongena). New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science, 37(3):189-199.
35. Yong, X., Zhang, Z., & Yang, Q. (2011). Effect of lead stress on growth characteristic and physiological indexes of Alternanthera philoxeroides. Agricultural Science & Technology-Hunan, 12(3):347-349.