Date of Award

4-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Molecular Biology and Biotechnology

Department

Biology

First Advisor

Synan F. AbuQamar

Second Advisor

Khaled A. El-Tarabily

Abstract

Pollution caused by heavy metals (HMs) is a major environmental concern worldwide. Human actions, agriculture practices and industrial activities can cause the release of HMs into the environment. Soil contamination with HMs may have negative effects on crops, thus disrupting the food chain and posing risks to human health. Lead (Pb) is a common pollutant found in the soil when at high concentrations. Conventional land remediation techniques depending on chemical and mechanical methods are quite expensive and would lead to long-term deterioration of the ecosystems, while phytoremediation can serve as an alternative, eco-friendly approach to restore the lands for agricultural purposes. Hyperaccumulator plants, such as corn (Zea mays), have the ability to absorb toxic HMs beyond the normal limits. After certain duration, however, plants may release the stress hormone ethylene (ET) in response to HMs stress. In this study, the aim was to determine the effect of plant growth promoting (PGP) endophytic actinobacteria producing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase (ACCD) on plant growth in response to Pb (50 and 100 mM). Endophytic actinobacteria were isolated from the roots of corn plants obtained near Zakher Lake, Al Ain, UAE. According to the in vitro tests using different Pb concentrations, two endophytic actinobacteria residing within plant tissues were selected for further investigation. The two strains were regarded as H2-5 (the non-producing ACCD isolate) and Ax5-1 (the ACCD-producing isolate). Greenhouse experiments were carried out to study the effect of the selected strains on corn plants in response to 50 and 100 mM Pb stress. The obtained results about the growth promotion in corn plants inoculated with Ax5-1 and exposed to any Pb concentration suggests that this ACCD-producing isolate can reduce Pb stress and enhance growth in plants. This was evident in the increase in the length and fresh weight (FW) by 55 and 36% in the shoot, respectively; and 20 and 18% in the root respectively, when corn plants were exposed to 50 mM Pb. Upon the application of 100 mM Pb, plants inoculated with Ax5-1 also showed similar pattern of increase in length and FW of the shoot by 53 and 33% and in the root by 19 and 14%, compared to control plants not suffering from Pb stress. This suggests that corn plants can hyperaccumulate more Pb in their tissues associated with growth promotion with Ax5-1 inoculation. Under 100 mM Pb stress conditions, plants inoculated with the ACCD-producing endophytic Ax5-1 isolate significantly (P< 0.05) accumulated more Pb in shoot and root tissues, resulting in decreased levels of Pb in the treated soil. These findings indicate that PGP endophytic actinobacteria possessing ACCD activity can play a pivotal role in ameliorating the negative effect of Pb stress on plants and promote plant growth in presence of Pb stress leading to an increase in phytoremediation efficiency, thereby being an eco-friendly and sustainable agricultural practice.

Arabic Abstract


زيادة كفاءة المعالجة النباتية للتربة الملوثة بالمعادن الثقيلة في دولة الإمارات العربية المتحدة باستخدام البكتيريا الأكتينوبكتيرية للزراعة المستدامة

يعد التلوث الناجم عن المعادن الثقيلة مصدر قلق بيئي كبير في جميع أنحاء العالم، حيث يمكن أن تتسبب الأعمال البشرية والممارسات الزراعية والصناعية في تراكم هذه المعادن في البيئة. إن تلوث التربة بالمعادن الثقيلة آثار سلبية على المحاصيل، مما يؤدي إلى تعطل السلسلة الغذائية وبالإضافة إلى المخاطر التي تشكلها على صحة الإنسان. يعتبر معدن الرصاص من الملوثات الشائعة في التربة، وخاصة عندما يكون بتركيزات عالية. وعليه فإن تقنيات معالجة الأراضي التقليدية التي تعتمد على الطرق الكيميائية والميكانيكية مكلفة للغاية وقد تؤدي إلى تدهور النظم البيئية على المدى الطويل. وبالتالي يمكن أن تكون المعالجة النباتية بمثابة النهج البديل والأمثل لاستعادة خصوبة الأراضي الزراعية. تتمتع النباتات شديدة التراكم كالذرة بالقدرة على امتصاص المعادن الثقيلة السامة بما يتجاوز الحدود الطبيعية، وبالتالي تطلق هذه النباتات هرمون الإيثيلين الإيجابي استجابةً للمعادن الثقيلة. إن الهدف من هذه الدراسة هو تحديد تأثير البكتيريا الأكتينية الداخلية المعززة لنمو النبات والتي تنتج هرمون 1- أمينوسايكلوبروبان 1-كاربوكسيلات دياميناز (ACCD) على نمو النبات استجابةً لـ 50 و100 مليمولر من الرصاص. فقد تم عزل الأكتينية الداخلية من جذور نباتات الذرة التي تم الحصول عليها بالقرب من بحيرة زاخر في مدينة العين – دولة الإمارات العربية المتحدة. وفقاً للاختبارات المخبرية باستخدام تركيزات مختلفة من الرصاص، تم اختيار السلالتين الداخلتين من البكتيريا الأكتينية هما H2-5 (العزلة غير المنتجة لـ ACCD) و Ax5-1 (العزلة المنتجة لـ ACCD). أُجريت في البيت البلاستيكي تجارب لدراسة تأثير السلالات المختارة على نباتات الذرة استجابةً لإجهاد 50 و100 مليمولر من الرصاص. وتشير النتائج التي تم الحصول عليها حول تعزيز النمو في نباتات الذرة الملقحة بـ Ax5-1 والمعرضة لتركيزات الرصاص المختلفة إلى التقليل من الإجهاد النباتي لعنصر الرصاص وتعزيز نمو نباتات الذرة. فقد كانت الزيادة بنسبة %55 و%36 في الطول والوزن توالياً في 50 مليمولر من الرصاص في نباتات الذرة. أظهرت النباتات الملقحة بـ Ax5-1 أيضاً نمطاً مشابهاً من الزيادة في مجاميع أنسجة البراعم بنسبة %52 وأنسجة الجذر بنسبة %34 عند التعرض لـ 100 مليمولر مقارنة بالنباتات التي لا تعاني من الرصاص. وهو ما يشير إلى أن نباتات الذرة يمكن أن تراكم المزيد من الرصاص في أنسجتها المرتبطة بتعزيز النمو بتلقيح Ax5-1 تحت هذه الظروف الإجهادية من 100 مليمولر من الرصاص، بالإضافة إلى تراكم هذا العنصر في أنسجة الجذر والبراعم في النباتات الملقحة بـ Ax5-1، مما أدى إلى انخفاض مستويات الرصاص في التربة المعالجة. تشير هذه النتائج إلى أن البكتيريا الأكتينية الداخلية لنمو النبات والتي تمتلك نشاط ACCD يمكن أن تلعب دوراً محورياً في تخفيف التأثير السلبي لإجهاد النباتي لعنصر الرصاص كممارسة زراعية واعدة وصديقة للبيئة ومستدامة.

Download

Included in

Biology Commons

COinS