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Effects of artificial ultraviolet B radiation on the macrophyte Lemna minor: a conceptual study for toxicity pathway characterization
Planta ( IF 4.3 ) Pub Date : 2020-10-14 , DOI: 10.1007/s00425-020-03482-3
Li Xie 1, 2 , Knut Asbjørn Solhaug 2, 3 , You Song 1, 2 , Bjørn Johnsen 2, 4 , Jorunn Elisabeth Olsen 2, 5 , Knut Erik Tollefsen 1, 2, 3
Affiliation  

Main conclusion UVB radiation caused irradiance-dependent and target-specific responses in non-UVB acclimated Lemna minor. Conceptual toxicity pathways were developed to propose causal relationships between UVB-mediated effects at multiple levels of biological organisation. Abstract Macrophytes inhabit waterways around the world and are used in hydroponics or aquaponics for different purposes such as feed and wastewater treatment and are thus exposed to elevated levels of UVB from natural and artificial sources. Although high UVB levels are harmful to macrophytes, mechanistic understanding of irradiance-dependent effects and associated modes of action in non-UVB acclimated plants still remains low. The present study was conducted to characterise the irradiance-dependent mechanisms of UVB leading to growth inhibition in Lemna minor as an aquatic macrophyte model. The L. minor were continuously exposed to UVB (0.008–4.2 W m−2) and constant UVA (4 W m−2) and photosynthetically active radiation, PAR (80 µmol m−2 s−1) for 7 days. A suite of bioassays was deployed to assess effects on oxidative stress, photosynthesis, DNA damage, and transcription of antioxidant biosynthesis, DNA repair, programmed cell death, pigment metabolism and respiration. The results showed that UVB triggered both irradiance-dependent and target-specific effects at multiple levels of biological organization, whereas exposure to UVA alone did not cause any effects. Inhibition of photosystem II and induction of carotenoids were observed at 0.23 W m−2, whereas growth inhibition, excessive reactive oxygen species, lipid peroxidation, cyclobutane pyrimidine dimer formation, mitochondrial membrane potential reduction and chlorophyll depletion were observed at 0.5–1 W m−2. Relationships between responses at different levels of biological organization were used to establish a putative network of toxicity pathways to improve our understanding of UVB effects in aquatic macrophytes under continuous UVB exposures. Additional studies under natural illuminations were proposed to assess whether these putative toxicity pathways may also be relevant for more ecologically relevant exposure scenarios. Electronic supplementary material The online version of this article (10.1007/s00425-020-03482-3) contains supplementary material, which is available to authorized users.

中文翻译:

人工紫外线 B 辐射对大型植物浮萍的影响:毒性途径表征的概念研究

主要结论 UVB 辐射在非 UVB 驯化的小海藻中引起辐照依赖性和目标特异性反应。开发了概念毒性途径以提出在多个生物组织水平上 UVB 介导的效应之间的因果关系。摘要大型植物栖息在世界各地的水道中,用于水培或鱼菜共生,用于饲料和废水处理等不同目的,因此暴露于来自天然和人工来源的高水平 UVB。尽管高 UVB 水平对大型植物有害,但对非 UVB 驯化植物中辐照依赖性效应和相关作用模式的机械理解仍然很低。本研究旨在表征作为水生大型植物模型的 UVB 导致生长抑制的 UVB 的辐照依赖性机制。L.minor 连续暴露于 UVB (0.008–4.2 W m-2) 和恒定 UVA (4 W m-2) 和光合有效辐射 PAR (80 µmol m-2 s-1) 7 天。采用了一套生物测定来评估对氧化应激、光合作用、DNA 损伤和抗氧化生物合成转录、DNA 修复、程序性细胞死亡、色素代谢和呼吸的影响。结果表明,UVB 在生物组织的多个层次上同时触发了辐照依赖性和靶标特异性效应,而单独暴露于 UVA 不会产生任何影响。在 0.23 W m-2 时观察到光系统 II 的抑制和类胡萝卜素的诱导,而在 0.5-1 W m-2 观察到生长抑制、过量活性氧、脂质过氧化、环丁烷嘧啶二聚体形成、线粒体膜电位降低和叶绿素消耗。不同生物组织水平的反应之间的关系被用来建立一个假定的毒性途径网络,以提高我们对连续 UVB 暴露下水生大型植物中 UVB 效应的理解。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。在 0.5-1 W m-2 观察到脂质过氧化、环丁烷嘧啶二聚体形成、线粒体膜电位降低和叶绿素消耗。不同生物组织水平的反应之间的关系被用来建立一个假定的毒性途径网络,以提高我们对连续 UVB 暴露下水生大型植物中 UVB 效应的理解。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。在 0.5-1 W m-2 观察到脂质过氧化、环丁烷嘧啶二聚体形成、线粒体膜电位降低和叶绿素消耗。不同生物组织水平的反应之间的关系被用来建立一个假定的毒性途径网络,以提高我们对连续 UVB 暴露下水生大型植物中 UVB 效应的理解。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。在 0.5-1 W m-2 时观察到线粒体膜电位降低和叶绿素消耗。不同生物组织水平的反应之间的关系被用来建立一个假定的毒性途径网络,以提高我们对连续 UVB 暴露下水生大型植物中 UVB 效应的理解。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。在 0.5-1 W m-2 时观察到线粒体膜电位降低和叶绿素消耗。不同生物组织水平的反应之间的关系被用来建立一个假定的毒性途径网络,以提高我们对连续 UVB 暴露下水生大型植物中 UVB 效应的理解。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。不同生物组织水平的反应之间的关系被用来建立一个假定的毒性途径网络,以提高我们对连续 UVB 暴露下水生大型植物中 UVB 效应的理解。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。不同生物组织水平的反应之间的关系被用来建立一个假定的毒性途径网络,以提高我们对连续 UVB 暴露下水生大型植物中 UVB 效应的理解。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。建议在自然光照下进行其他研究,以评估这些假定的毒性途径是否也可能与更具生态相关性的暴露情景相关。电子补充材料 本文的在线版本 (10.1007/s00425-020-03482-3) 包含补充材料,可供授权用户使用。
更新日期:2020-10-14
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