Characterizations of an ecotype of brake-fern, Pteris vittata, for arsenic tolerance and accumulation in plant biomass

Abstract

An ecotype of brake fern (Pteris vittata) was assessed for arsenic tolerance and accumulation in its biomass under in vivo and in vitro condition; using soil, and agargelled Murashige and Skoog (MS) medium supplemented with different concentrations of arsenic. The plants were raised in soil amended with 100–1000 mg arsenic kg^–1 soil, and MS medium was supplemented with 10–300 mg arsenic L–1 medium using Na2HAsO4×7H2O. The spores and haploid gametophytic-prothalli were raised in vitro on MS medium supplemented with arsenic. The field plants showed normal growth and biomass formation in arsenic amended soil, and accumulated 1908– 4700 mg arsenic kg^–1 dry aerial biomass after 10 weeks of growth. Arsenic toxicity was observed above >200 mg arsenic kg^–1 soil. The concentrations of arsenic accumulated in the plant biomass were statistically significant (p < 0.05). Normal plants were developed from spores and gametophyte prothalli on the MS media supplemented with 50–200 mg arsenic L^–1 medium. The in vitro raised plants were tolerant to 300 mg arsenic kg^–1 of soil and accumulated up to 3232 mg arsenic kg^–1 dry aerial biomass that showed better growth performance, biomass generation and arsenic accumulation in comparison to the field plants.

Екотип птериса стрічкового (Pteris vittаta) був досліджений на стійкість до миш’яку та його накопичення в біомасі в умовах in vivo і in vitro з використанням грунту та агаризованого середовища МурасігеСкуга (MS), що містять миш’як в різних концентраціях. Рослини вирощували на грунті, що містить 100–1000 мг миш’яку на 1 кг грунту, чи в грунті Мурасіге-Скуга, в котрий додавали 10–300 мг/л Na2HAsO4 ×7H2O. Спори та гаплоїдні гематофітні паростки росли in vitro на середовищі MS з миш’яком. Рослини, які ростуть на грунті, що містить миш’як, характеризувались нормальним ростом і накопиченням біомаси та через 10 тижнів вирощування накопичували 1908–4700 миш’яку на 1 кг сухої надземної біомаси. Токсичність миш’яку проявлялась при його концентрації в грунті більше 200 мг/кг. Концентрації миш’яку, котрі накопичувалися в рослинній біомасі, були статистично значимими (р < 0.5). Зі спор та гаметофітних паростків, котрі вирощували на грунті MS з 50–200 мг/л миш’яку, розвивались нормальні рослини. Отримані in vitro рослини були стійкими до миш’яку в концентрації 300 мг/кг грунту та накопичували миш’як до 3232 мг/кг сухої надземної біомаси, що означає покращання ростових характеристик, формування біомаси та накопичення миш’яку в порівнянні з рослинами, вирощеними на полі.

Экотип птериса ленточного (Pteris vittаta) был исследован на устойчивость к мышьяку и его накопление в биомассе в условиях in vivo и in vitro с использованием почвы и агаризованной среды Мурасиге-Скуга (MS), содержащих мышьяк в разных концентрациях. Растения выращивали в почве, содержащей 100–1000 мг мышьяка на 1 кг почвы, или в среде Мурасиге-Скуга, в которую добавляли 10–300 мг/л Na2HAsO4 × 7H2O. Споры и гаплоидные гаметофитные проростки росли in vitro на среде MS с мышьяком. Растения, которые росли в почве, содержащей мышьяк, характеризовались нормальным ростом и накоплением биомассы и через 10 недель выращивания накапливали 1908–4700 мг мышьяка на 1 кг сухой надземной биомассы. Токсичность мышьяка проявлялась при его концентрации в почве свыше 200 мг/кг. Концентрации мышьяка, которые накапливались в растительной биомассе, были статистически значимыми (р < 0,5). Из спор и гаметофитных проростков, которые выращивали на среде MS с 50–200 мг/л мышьяка, развивались нормальные растения. Полученные in vitro растения были устойчивы к мышьяку в концентрации 300 мг/кг почвы и накапливали мышьяк до 3232 мг/кг сухой надземной биомассы, что означает улучшенные ростовые характеристики, формирование биомассы и накопление мышьяка по сравнению с растениями, выращенными в поле.