Udział olejku eterycznego z Thymus vulgaris L. w łagodzeniu stresu wywołanego kadmem w komórkach merystemów korzeniowych Vicia faba L. var. minor

Abstract

Wobec narastającego skażenia środowiska kadmem (Cd) celem badań była ocena 24-godzinnego wpływu 175 μM CdCl₂ na funkcjonowanie merystemów korzeni zarodkowych Vicia faba L. var. minor oraz określenie ochronnego działania olejku tymiankowego (TO; 0,03%). Ekspozycja na Cd prowadziła do jego znacznej akumulacji w tkankach, nadprodukcji reaktywnych form tlenu (RFT), nasilenia peroksydacji lipidów i uszkodzeń DNA, mimo aktywacji enzymatycznych i nieenzymatycznych mechanizmów antyoksydacyjnych oraz metabolizmu tiolowego. Towarzyszyły temu zmiany ultrastrukturalne organelli, aktywacja szlaku MAPK oraz przeprogramowanie epigenetyczne obejmujące wzrost metylacji DNA i zmiany modyfikacji histonów, a także zaburzenia replikacji i transkrypcji. Spadek zawartości CDKA i CycB, nieprawidłowa fosforylacja histonu H3 oraz dezorganizacja mikrotubul i filamentów aktynowych prowadziły do zahamowania proliferacji komórek merystematycznych i wzrostu korzeni. TO stosowany samodzielnie nie destabilizował struktury ani funkcji komórek, a w warunkach ekspozycji na Cd częściowo ograniczał jego akumulację i łagodził skutki toksyczności. Przy jednoczesnym zastosowaniu Cd i TO obserwowano ograniczenie akumulacji RFT, wzmocnienie mechanizmów antyoksydacyjnych oraz mniejsze nasilenie peroksydacji lipidów i uszkodzeń DNA. TO sprzyjał zachowaniu integralności ultrastrukturalnej komórek oraz ograniczał indukowane przez Cd zaburzenia szlaku MAPK i zmiany epigenetyczne, utrzymując transkrypcję i replikację bliżej poziomu kontrolnego. Przeciwdziałał także dezorganizacji cytoszkieletu i aparatu mitotycznego, sprzyjając zachowaniu proliferacji komórek merystematycznych i wzrostu korzeni. Opracowanie i adaptacja metody iPOND do materiału roślinnego rozszerzyły możliwości przyszłej analizy białek związanych z nowo syntetyzowanym DNA. Wyniki wskazują, że TO działa wielokierunkowo i może stanowić naturalny czynnik wspierający ochronę roślin przed stresem kadmowym.

In the context of increasing environmental cadmium (Cd) contamination, this study aimed to evaluate the effects of 24 h exposure to 175 μM CdCl₂ on root meristems of Vicia faba L. var. minor and to assess the protective effects of thyme essential oil (TO; 0.03%). Cd exposure caused substantial metal accumulation, reactive oxygen species (ROS) overproduction, increased lipid peroxidation, and DNA damage, despite activation of antioxidant mechanisms and thiol metabolism. These effects were accompanied by organelle ultrastructural alterations, MAPK activation, epigenetic reprogramming involving increased DNA methylation and altered histone modifications, and disturbances in replication and transcription. Reduced CDKA and CycB levels, abnormal histone H3 phosphorylation, and disorganization of microtubules and actin filaments contributed to inhibited meristematic cell proliferation and root growth. TO alone did not destabilize cellular structure or function, while in the presence of Cd it partially limited metal accumulation and alleviated its toxic effects. During simultaneous exposure to Cd and TO, reduced ROS accumulation, enhanced antioxidant responses, and lower lipid peroxidation and DNA damage were observed. TO also promoted preservation of cellular ultrastructure and attenuated Cd-induced disturbances in MAPK signaling and epigenetic regulation, maintaining transcription and replication closer to control levels. It additionally counteracted disorganization of the cytoskeleton and mitotic apparatus, thereby supporting meristematic cell proliferation and root growth. Adaptation of the iPOND method to plant material expanded opportunities for future analysis of proteins associated with newly synthesized DNA. Overall, TO exerted multifaceted protective effects and may support plant protection against cadmium stress.