Exogenous molybdenum mitigates cadmium-induced toxicity in wheat (Triticum turgidum L.) germinating seeds

Resumo

A contaminação de solos agrícolas por cádmio (Cd) representa séria ameaça à produtividade das culturas e à segurança alimentar, devido a seus efeitos fitotóxicos. Nesse contexto, este estudo investiga os efeitos protetores do molibdênio (Mo) contra o estresse oxidativo induzido pelo Cd em sementes de trigo (Triticum turgidum L.) em germinação. As sementes foram pré-tratadas com molibdato de amônio a 0, 1, 2 ou 3 µM por 12 h antes da germinação em condições controle ou de estresse por Cd (400 µM de CdCl2). Os resultados indicaram que 2 µM de Mo foi a dose mais eficaz para atenuar a inibição do crescimento induzida pelo Cd; por isso, essa concentração foi selecionada para as análises fisiológicas. O pré-tratamento com Mo reduziu o acúmulo de Cd e aumentou o teor de Mo nos tecidos, melhorando o estado redox celular sob estresse por Cd. Isso esteve associado à redução dos níveis de ânions superóxido O2·−, radicais hidroxila (·OH) e peróxido de hidrogênio (H2O2). O Mo também protegeu a integridade das membranas, como indicado pela menor atividade da lipoxigenase e pelos menores níveis de malondialdeído e 4-hidroxi-2-nonenal, reduzindo o extravasamento de eletrólitos e melhorando a viabilidade celular. A melhora da homeostase redox correlacionou-se com o aumento das atividades das enzimas antioxidantes, incluindo superóxido dismutase, catalase, ascorbato peroxidase, glutationa peroxidase e glutationa redutase. Além disso, o Mo aumentou a destoxificação do metilglioxal ao estimular as atividades de glioxalase I e II, limitando seu acúmulo. Da mesma forma, o Mo regulou o teor de prolina ao modular seu metabolismo, particularmente por meio da regulação da Δ1-pirrolina-5-carboxilato sintase e da prolina desidrogenase. Esses resultados destacam o papel protetor do Mo na atenuação do estresse induzido pelo Cd e indicam estratégias potenciais para aumentar a tolerância das sementes à contaminação por Cd.

Abstract

Cadmium (Cd) contamination of agricultural soils represents a serious threat to crop productivity and food security due to its phytotoxic effects. In this context, the present study investigates the protective effects of molybdenum (Mo) against Cd-induced oxidative stress in germinating wheat (Triticum turgidum L.) seeds. Seeds were pretreated with ammonium molybdate at 0, 1, 2, or 3 µM for 12 h before germination under control or Cd stress conditions (400 µM CdCl2). Results indicated that 2 µM Mo was most effective at mitigating Cd-induced growth inhibition; therefore, this concentration was selected for physiological analyses. Mo pretreatment reduced Cd accumulation while increasing tissue Mo content, thereby improving the cellular redox state under Cd stress. This was associated with decreased levels of superoxide anions O2·−, hydroxyl radicals (·OH), and hydrogen peroxide (H2O2). Mo also protected membrane integrity, as indicated by reduced lipoxygenase activity and lower levels of malondialdehyde and 4-hydroxy-2-nonenal, thereby decreasing electrolyte leakage and improving cell viability. Improved redox homeostasis was correlated with enhanced antioxidant enzyme activities, including superoxide dismutase, catalase, ascorbate peroxidase, glutathione peroxidase, and glutathione reductase. Moreover, Mo enhanced methylglyoxal detoxification by stimulating glyoxalase I and II activities, thereby limiting methylglyoxal accumulation. Likewise, Mo regulated the proline content by modulating its metabolism, particularly through the regulation of Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthase and proline dehydrogenase. These findings highlight the protective role of Mo in mitigating Cd-induced stress, providing insights into potential strategies to enhance seed tolerance to Cd contamination.