Mitigation of Chromium Toxicity in Wheat (Triticum aestivum L.) Through Silicon

Abstract

Chromium (Cr) is a toxic metal usually found in soil and water, causing environmental pollution. Silicon (Si), however, has excelled in alleviating the stress caused by toxic elements in plants, and its beneficial role was mainly based on external and internal plant mechanisms. This study investigates whether and how Si influences the alleviation of Cr toxicity in wheat at the physiological and biochemical levels. The addition of Si in Cr-stressed plants significantly improved morpho-physiological characteristics, total protein, and membrane stability compared to Cr-stressed plants, suggesting that Si does have critical roles in Cr detoxification in wheat. Furthermore, Si supplementation in Cr-stressed plants showed a significant increase of Cr in roots but not in shoots compared with the plants grown under Cr stress. The addition of Si in Cr stress the raised the total chlorophyll (a and b) compared to non-treated controls. Beside this, abiotic stress indicators, such as cell death, electrolyte leakage and total soluble protein remarkably improved subjected to Si under Cr stress. These improvements are in accordance with the significant decrease of Cr in both root and shoot due to Si under Cr stress. Furthermore, Si application enhanced non-enzymatic scavenging and proline concentration to reduce Cr-induced oxidative damage in wheat. These findings reveal the role of Si on Cr detoxification in wheat and can be further implemented as a fertilization strategy.

Zusammenfassung

Chrom (Cr) ist ein giftiges Metall, das im Boden und Wasser vorkommt und die Umwelt verschmutzt. Silizium (Si) hat sich allerdings bei der Reduzierung des durch toxische Elemente verursachten Stresses in Pflanzen bewährt, und seine vorteilhafte Rolle beruhte hauptsächlich auf externen und internen Pflanzenmechanismen. In dieser Studie wird untersucht, ob und wie Si die Linderung der Cr-Toxizität in Weizen auf physiologischer und biochemischer Ebene beeinflusst. Die Zugabe von Si in Cr-gestressten Pflanzen verbesserte die morpho-physiologischen Eigenschaften, den Gesamtproteingehalt und die Membranstabilität im Vergleich zu Cr-gestressten Pflanzen signifikant, was darauf hindeutet, dass Si bei der Cr-Entgiftung von Weizen eine entscheidende Rolle spielt. Darüber hinaus zeigte die Si-Zugabe bei Cr-gestressten Pflanzen im Vergleich zu den unter Cr-Stress gezüchteten Pflanzen einen signifikanten Anstieg von Cr in Wurzeln, aber nicht in Trieben. Die Zugabe von Si bei Cr-Stress erhöhte das Gesamtchlorophyll (a und b) im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. Darüber hinaus verbesserten sich die abiotischen Stressindikatoren, wie Zelltod, Elektrolytverlust und die gesamten löslichen Proteine, unter der Einwirkung von Si unter Cr-Stress bemerkenswert. Diese Verbesserungen stehen im Einklang mit der signifikanten Abnahme von Cr sowohl in der Wurzel als auch im Spross aufgrund von Si unter Cr-Belastung. Darüber hinaus erhöhte die Si-Anwendung das nicht-enzymatische Scavenging und die Prolinkonzentration, um den Cr-induzierten oxidativen Schaden in Weizen zu reduzieren. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Rolle von Si bei der Entgiftung von Cr in Weizen und können in Düngungsstrategien weiter umgesetzt werden.