Genotypic differences in uptake and translocation of cadmium in bean and maize inbred lines

For better understanding of mechanisms responsible for genotypic differences in uptake and translocation of cadmium (Cd) in different plant species, two maize (Zea mays L.) inbred lines (B37 and F2) and a bean (Phaseolus vulgaris L.) cultivar (Saxa) were grown in a complete nutrient solution with additional 0.5 μM Cd and 250 μM buthionine sulfoximine (BSO), an inhibitor of PC synthesis, alone or in combination. The maize line B37 had a much higher Cd content in shoots (116.2 mg Cd kg−1 dry wt.) than F2 (32.7 mg Cd kg−1 dry wt.) and bean (1.83 in leaves, and 2.85 mg Cd kg−1 dry wt. in stems), whereas in roots the Cd content was much higher in bean (602.6 mg Cd kg−1 dry wt.) than in maize (427.1 mg Cd kg−1 dry wt. in B37, and 428.2 mg Cd kg−1 dry wt. in F2). Application of BSO markedly decreased Cd contents in roots of bean and maize lines, and also Cd contents in shoots and stem basis of both maize lines, while Cd contents in leaves, stems and stem basis of bean were not reduced by BSO. In root extracts (Tris-HCl buffer, pH 8.0) the proportion of Cd in the soluble fraction was much lower in bean (29.6%) than in the maize lines B37 (58.6%) and F2 (60.1%). Compared with the whole root tissue, Cd contents in the stele of the roots were much lower, especially in bean, and decreased by BSO in both maize lines, but not in bean. Gel-chromatography of root extracts strongly suggested that in the soluble fraction about 80% of the Cd was present as Cd-phytochelatin (PC) complexes in B37, whereas in F2 this Cd fraction accounted for about 50%, and in bean only for a few percent in the soluble fraction, Our results suggest that Cd-PC complexes constitute a mobile form in plants. The lower proportion of Cd in the soluble fraction as well as lower PC production in roots of bean compared to maize lines may be the main reasons for the very low Cd translocation from roots to shoots in bean plants. Genotypische Unterschiede in der Aufnahme und Translokation von Cadmium bei Buschbohne und Maisinzuchtlinien Um die fur die genotypischen Unterschiede in der Aufnahme und Translokation von Cd verantwortlichen pflanzlichen Faktoren zu untersuchen. wurden Buschbohne (Phaseolus vulgaris L., cv. Saxa) und zwei Maisinzuchtlinien (Zea mays L., B37 und F2) in einer Nahrlosung mit zusatzlich 0.50 μM Cd und 250 μM Buthioneinsulfoximin (BSO), einem Hemmstoff der Phytochelatin- (PC) Synthese, kultiviert. Die Maislinie B37 hatte einen wesentlich hoheren Cd-Gehalt im Spros (116.2 mg Cd kg−1 TG) als F2 (32.7 mg Cd kg−1 TG) und Buschbohne (1.83 in Blattern, 2.85 mg Cd kg−1 TG im Stengel), wahrend der Cd-Gehalt in den Wurzeln von Buschbohne (602.6 mg Cd kg−1 TG) deutlich hoher war als in den Wurzeln von Mais (427.1 mg Cd kg−1 TG in B37, und 428.2 mg Cd kg−1 TG in F2). Die Applikation von BSO erniedrigte betrachtlich die Cd-Gehalte in den Wurzeln von Buschbohne und Mais sowie in Spros und Stengel-Basis der beiden Maislinien, wahrend die Cd-Gehalte in Blattern, Stengel und Stengel-Basis von Buschbohne nicht erniedrigt wurden. Bei Buschbohne war der Anteil von Cd in der loslichen Fraktion der Wurzelextrakte (TRIS-HCl, pH 8.0) mit 29.6% erheblich niedriger als bei den Maislinien B37 (58.6%) und F2 (60.1%). Insbesondere in Buschbohne war der Cd-Gehalt im Zentralzylinder der Wurzeln viel niedriger als der Cd-Gehalt der Wurzeln insgesamt. Gelchromatographische Untersuchungen der Wurzelextrakte zeigten, das in B37 etwa 80% des Cd in Form von Cd-Phytochelatin (PC)-Komplexen vorlag, wahrend in F2 ca. 50% und in Buschbohne nur geringe Anteile an Cd als PC-Komplexe gebunden waren. Die Ergebnisse weisen darauf hin, das Cd-PC-Komplexe eine mobile Bindungsform darstellen. Die geringe Translokation von Cd aus den Wurzeln in den Spros bei Buschbohne ist sehr wahrscheinlich auf einen kleinen Anteil von Cd in der loslichen Fraktion der Wurzelextrakte und eine geringe Produktion von PCs in den Wurzeln zuruckzufuhren.