Επίδραση του καδμίου (Cd) στα μορφολογικά χαρακτηριστικά και την απορρόφησή του από φυτά Echinacea purpurea L. και Hypericum empetrifolium Willd. subsp. empetrifolium

Abstract

Στόχος της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση της επίδρασης του καδμίου (Cd) στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των φαρμακευτικών φυτών Echinacea purpurea και Hypericum empetrifolium subsp. empetrifolium, καθώς και της απορρόφησής του από τα υπέργεια τμήματα και τις ρίζες των φυτών αυτών, που αναπτύχθηκαν σε όξινο και ουδέτερο υπόστρωμα. Η Echinacea purpurea είναι ένα ευρέως γνωστό και χρησιμοποιούμενο φαρμακευτικό φυτό, του οποίου η κύρια δράση είναι η ανοσοδιέγερση. Έχει μελετηθεί και μελετάται μέχρι σήμερα, για τις αντιφλεγμονώδεις ιδιότητές του και την προστατευτική του δράση από τους ιούς της γρίπης. Το Hypericum empetrifolium subsp. empetrifolium είναι επίσης γνωστό από την αρχαιότητα ως φαρμακευτικό φυτό. Έχει διαπιστωθεί δε, ότι πολλά είδη του γένους Hypericum περιέχουν ουσίες με αντιμικροβιακές, αντικαρκινικές, επουλωτικές ιδιότητες, αλλά και ουσίες με νευροπροστατευτική δράση. Το Cd είναι ένα χημικό στοιχείο που ανήκει στα βαρέα μέταλλα και αποτελεί τοξική ουσία για τους περισσότερους ζωντανούς οργανισμούς και τον άνθρωπο. Η συγκέντρωσή του στην ατμόσφαιρα και το έδαφος αυξάνεται ραγδαία από τον προηγούμενο αιώνα, λόγω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, όπως η εντατικοποιήση της γεωργίας και η βιομηχανική ανάπτυξη. Για το λόγο αυτό, σπορόφυτα E. purpurea ηλικίας 2 μηνών και φυτάρια H. empetrifolium subsp. empetrifolium προερχόμενα από έρριζα μοσχεύματα ηλικίας 8 μηνών αναπτύχθηκαν σε ατομικά γλαστρίδια σε όξινο (pH 4,5) και ουδέτερο υπόστρωμα (pH 6,5) τύρφης –περλίτη 1:1 κατ’ όγκο. Ακολουθήθηκε εντελώς τυχαιοποιημένο πειραματικό σχέδιο με τέσσερις μεταχειρίσεις (0, 1, 2, 5 mg Cd L-1) και έξι επαναλήψεις ανά μεταχείριση. Η εφαρμογή του Cd έγινε με τη μορφή του CdSO4 x 8/3H2O και ριζοποτίσματα. Το ύψος των φυτών E. purpurea δεν επηρεάστηκε ιδιαίτερα από τις αυξανόμενες επεμβάσεις με Cd, οι μεταβολές ύψους όμως ήταν μεγαλύτερες στο όξινο υπόστρωμα ανάπτυξης. Στο ουδέτερο υπόστρωμα ανάπτυξης, η συγκέντρωση Cd στο υπέργειο τμήμα του φυτού αυξήθηκε σημαντικά στη μεταχείριση με 5 mg Cd L-1, ενώ η συγκέντρωση Cd στη ρίζα αυξήθηκε σε μεταχειρίσεις συγκέντρωσης μεγαλύτερης των 2 mg Cd L-1 και παρατηρήθηκε σημαντική διαφορά από τη συγκέντρωση Cd στο μάρτυρα. Στο όξινο υπόστρωμα ανάπτυξης, οι μεταχειρίσεις συγκέντρωσης μεγαλύτερης του 1 mg Cd L-1 αύξησαν σημαντικά τη συγκέντρωση στο υπέργειο τμήμα του φυτού, ενώ στη ρίζα παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της συγκέντρωσης Cd στην μεταχείριση με 5 mg Cd L-1. Η ολική συγκέντρωση Cd στο φυτό καθώς και το ανταλλάξιμο με DTPA Cd από το υπόστρωμα αυξήθηκε με την αύξηση του προστιθέμενου Cd και στα δύο υποστρώματα ανάπτυξης (όξινο και ουδέτερο), ενώ σημείωσαν μεγαλύτερες τιμές στο όξινο υπόστρωμα ανάπτυξης. Οι αυξανόμενες επεμβάσεις με Cd δεν φάνηκε να επηρέασαν το ύψος των φυτών H. empetrifolium subsp. empetrifolium οι μεταβολές ύψους όμως ήταν μεγαλύτερες στο όξινο υπόστρωμα ανάπτυξης. Στο ουδέτερο υπόστρωμα ανάπτυξης παρατηρήθηκε αύξηση του ξηρού βάρους της ρίζας σε μεταχειρίσεις συγκέντρωσης μεγαλύτερης του 1 mg Cd L-1. Στο όξινο υπόστρωμα ανάπτυξης, η προσθήκη Cd σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 2 mg Cd L-1 αύξησε το ξηρό βάρος ρίζας. Η συγκέντρωση Cd στο υπέργειο τμήμα του φυτού αυξήθηκε με την αύξηση της προσθήκης Cd, ενώ στη ρίζα παρατηρήθηκε σημαντική διαφορά στη συγκέντρωση Cd μεταξύ του μάρτυρα και της μεταχείρισης των 5 mg Cd L-1. Η ολική συγκέντρωση Cd στο φυτό, καθώς και το ανταλλάξιμο με DTPA Cd από το υπόστρωμα αυξήθηκε με την αύξηση προσθήκης Cd και στα δύο υποστρώματα ανάπτυξης (ουδέτερο και όξινο), ενώ σημείωσαν μεγαλύτερες τιμές στο όξινο υπόστρωμα ανάπτυξης. Μορφολογικά συμπτώματα τοξικότητας ή τροφοπενιών καθώς επίσης και μεταβολές ή δυσλειτουργίες στην ανάπτυξη και των δύο μελετώμενων φυτικών ειδών δεν παρατηρήθηκαν στις διάφορες μεταχειρίσεις σε κανένα από τα δύο υποστρώματα ανάπτυξης.

The aim of this study was to examine the effect of Cd on morphological characteristics and on Cd concentration in leaves and roots of two medicinal plants, Echinacea purpurea and Hypericum empetrifolium subsp. empetrifolium, grown in a neutral and in an acid substrate. E. purpurea is a widely known and used medicinal plant, mainly for its immune-stimulating properties. It has been well studied for its anti-inflamatory action and its treatment and prevention of various infectious disorders of the respiratory system. H. empetrifolium subsp. empetrifolium is a medicinal plant known and used since the ancient years. It has been determined that many species of the genus contain substances that have antimicrobial, anticancer, healing and neuroprotective properties. Cadmium (Cd) is a toxic trace heavy metal, deleterious for humans and many other living organisms. This element is one of the most widespread pollutants in the atmosphere and in the soil, mainly due to industrial emission and intensification of agriculture. For the aforementioned reason, pot experiments were conducted under glasshouse conditions. Pots were arranged in a completely randomized block design in two groups (neutral substrate, acid substrate) with four treatments (0, 1, 2 and 5 mg Cd L-1) and six replications per treatment. Plantlets of both species studied (48 pots for each species) were transplanted in peat-perlite mixture 1:1 v/v. Cd was applied as CdSO4 x 8/3H2O by hand. The height of E. purpurea plants was not affected by increasing Cd applications, but the plants grown in an acid substrate were higher than those grown in a neutral substrate. Cd concentration in leaves of the plants grown in a neutral substrate was significantly raised at the application of 5 mg Cd L-1, whereas Cd concentration in roots increased at Cd doses higher than 2 mg Cd L-1. Cd applications greater than 1 mg Cd L-1 significantly increased Cd concentration in leaves of the plants grown in an acid substrate, whereas Cd application of 5 mg Cd L-1 significantly increased Cd concentration in roots of the plants grown in an acid substrate. Cd concentration in plants grown in both substrates (neutral and acid) and extractable peat-soil Cd by DTPA-TEA increased with increasing Cd applications, but achieved higher rates in an acid substrate. The height of H. empetrifolium subsp. empetrifolium plants was not affected by increasing Cd applications but the plants grown in an acid substrate were higher than those grown in a neutral substrate. Roots dry matter of the plants grown in a neutral substrate raised at Cd applications greater than 1 mg Cd L-1 whereas roots dry matter of the plants grown in an acid substrate raised at Cd applications greater than 2 mg Cd L-1. Significant differences of Cd concentration in roots of the plants grown in an acid substrate were observed between control and treated with 5 mg Cd L-1. Cd concentration in plants grown in both substrates (neutral and acid) and extractable peat-soil Cd by DTPA-TEA increased with increasing Cd applications, but achieved higher rates in an acid substrate. Visual examinations of Cd-treated plants of both species studied did not reveal symptoms of toxicity or nutrient deficiency over the concentration range of 0-5 mg Cd L-1.