Molecular Responses of Arabidopsis thaliana to Environmental Metal Stressors: Root Cadmium Exposure and Metallic Ultra-Fine Particles from Traffic

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Richtmann, Ludwig:
Molecular Responses of Arabidopsis thaliana to Environmental Metal Stressors: Root Cadmium Exposure and Metallic Ultra-Fine Particles from Traffic.
Bayreuth , 2025 . - 129 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

The development of human civilization has profoundly changed the environment, including the alteration of metal concentrations. The accumulation of cadmium (Cd) in soils is caused by agricultural practices or industrial activities and represents a threat to human health via the uptake into edible parts of crops. Beyond its implications for human health, Cd exposure strongly inhibits plant growth, including the root system, even though the precise mechanisms underlying this inhibition remain incompletely understood. Therefore, the first section of this thesis analyses the specific impact of Cd stress on Arabidopsis thaliana root tips (RT), where the root apical meristem (RAM) and elongation zone (EZ) facilitate growth. Using a multi omics approach, including the analysis of metal contents with ICP-MS, untargeted metabolomics and RNA sequencing, the molecular mechanisms governing root growth inhibition by Cd were analysed by separating Cd-treated roots into RT and the remaining root (RR). This revealed strong differences in Cd accumulation between the two root sections and highlighted responses related to iron (Fe) and sulfur (S) homeostasis as well as secondary metabolism. The transcriptomic analysis furthermore suggested a role of the photomorphogenetic transcription factor HY5 in the response to Cd stress in RT. Further characterization of hy5 mutants confirmed the functional involvement of HY5 and revealed a role in limiting Cd accumulation. Metals are furthermore released into the environment by particulate matter (PM) emissions resulting from industry or vehicular transport. Especially ultra-fine particles (UFP) have been recognized as particularly harmful for humans and ecosystems. Even though brake wear represents an important source for metallic UFP emissions, its effects on organisms, including plants, have rarely been studied in a realistic, airborne exposure setting. Therefore, the second part of this thesis describes the establishment of a system to study the effects of aerial brake dust particles on plants by integrating an exposure chamber into the exhaust system of a brake dynamometer. The exposure conditions, including UFP deposition on leaves, were thoroughly characterized using state-of-the-art analytical methods, such as electrical low-pressure impactor (ELPI+) and single particle ICP-MS (spICP-MS). As a proof of concept and to gain first insights into the physiological processes triggered by metallic UFP exposure, transcriptomic data with A. thaliana were generated, which showed perturbations in the regulation of genes related to Fe and copper (Cu) homeostasis as well as herbivory defense and specialized metabolism. A comparison with different outdoor exposure sites indicated that UFP-deposition in controlled exposures were within the same order of magnitude compared to a traffic-heavy location.

Abstract in weiterer Sprache

Die Entwicklung der menschlichen Zivilisation hat die Umwelt tiefgreifend verändert, unter anderem durch die Veränderung von Metallkonzentrationen. Die Anreicherung von Cadmium (Cd) in Böden wird durch landwirtschaftliche oder industrielle Aktivitäten verursacht und stellt durch die Aufnahme in essbare Teile von Pflanzen eine Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. Darüber hinaus inhibiert Cd-Exposition das Pflanzenwachstum, einschließlich des Wurzelsystems. Mit dem Ziel, die molekularen Mechanismen dieser Inhibition besser zu verstehen, analysiert der erste Abschnitt dieser Arbeit die spezifischen Auswirkungen von Cd Stress auf die Wurzelspitzen (RT) von Arabidopsis thaliana, wo das Wurzelapikalmeristem (RAM) und die Elongationszone (EZ) das Wachstum fördern. Mithilfe eines Multi-Omics Ansatzes, einschließlich der Analyse von Metallkonzentrationen mittels ICP-MS, Non-Targetet Metabolomics und RNA-Sequenzierug, wurden die molekularen Mechanismen der Wurzelwachstumshemmung durch Cd analysiert, indem RT und die verbleibende Wurzel (RR) getrennt betrachtet wurden. Diese Analysen zeigten unter anderem starke Unterschiede in der Cd-Akkumulation beider Wurzelabschnitte und hoben die Bedeutung von Anworten im Bereich der Eisen (Fe)- und Schwefel (S)-Homöostase sowie des Sekundärmetabolismus hervor. Die Transkriptomanalyse deutete zudem auf eine Rolle des photomorphogenetischen Transkriptionsfaktors HY5 bei der Reaktion auf Cd-Stress in RT hin. Die weitere Charakterisierung von hy5-Mutanten bestätigte die funktionelle Beteiligung von HY5 und zeigte eine Rolle bei der Limitierung der Cd-Akkumulation. Darüber hinaus gelangen Metalle durch Feinstaubemmissionen aus der Industrie und dem Verkehr in die Umwelt. Insbesondere ultrafeine Partikel (UFP) gelten als besonders schädlich für Mensch und Ökosysteme. Obwohl Bremsenabrieb eine wichtige Quelle für metallische UFP-Emmissionen darstellt, wurden seine Auswirkungen auf Organismen, einschließlich Pflanzen bisher selten in einer realistischen Expositionsumgebung untersucht. Daher beschreibt der zweite Teil dieser Arbeit die Etablierung eines Systems zur Untersuchung der Auswirkungen von luftgetragenen Bremsstaubpartikeln auf Pflanzen durch die Integration einer Expositionskammer in das Absaugsystem eines Bremsenprüfstandes. Die Expositionsbedingungen wurden mithilfe verschiedener Analysemethoden, einschließlich eines elektrischen Niederdruckimpaktors (ELPI+) und single-particle-ICP-MS (spICP-MS) gründlich charakterisiert. Als Proof-of-Concept und um erste Einblicke in physiologische Antworten zu bekommen, wurde eine Transkriptomanalyse mit Arabidopsis thaliana nach der Exposition durchgeführt. Dies zeigte Veränderungen in der Regulationen von Genen, die mit der Fe- und Kupferhomöostase (Cu) sowie dem spezialisierten Metabolismus zusammenhängen. Ein Vergleich mit verschiedenen Freiland-Expositionsstandorten ergab, dass die UFP-Ablagerungen bei kontrollierten Expositionen in einer vergleichbaren Größenordnung lagen wie an einem Standort mit hohem Verkehrsaufkommen.