Cadmium phytotoxicity: issues, progresses, environmental concerns and future perspectives

Fitotoxicidad del cadmio: los problemas, progresos, las preocupaciones ambientales, y las perspectivas futuras















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Abstract

Cadmium, with its high toxicity rate to plants and potential threat to human health, is a dangerous pollutant in the environment. Uptake and accumulation by crops represent the main entry pathway for potentially health- hreatening toxic metals into human and animal food. Crops and other plants take up Cd from the soil or water and may distribute it in their roots and shoots. Soil and/or water are usually contaminated with Cd through natural sources, industrial effluent, and anthropogenic activities. In this review, it was summarized the sources of Cd contamination, evaluation of the phytotoxic effects on plants, and mode of action of Cd toxicity. Moreover, the strategies of plants to protect themselves under excess Cd are also considered in this review. Cd-induced effects include oxidative stress, disintegration of the photosynthetic apparatus, reduction in gas exchange parameters, nutrient imbalance, and subcellular organelle degradation. In addition, Cd severely impairs biomolecules such as DNA, protein, and lipids. Although plants are sessile in nature, they are equipped with certain mechanisms to cope with unfavorable conditions. These mechanisms include synthesis of metal-chelating proteins, expression of enzymatic and non-enzymatic antioxidants, organic acids, and plant root–mycorrhiza association. The built-in system of plant tolerance to Cd can be further enhanced by the application of exogenous metal organic and inorganic sources. This review will broaden the knowledge about the Cd accumulation in plants and the responses to metal exposure, as well as our understanding of metal tolerance and overcoming this serious issue for sustainable agriculture and human health worldwide.

Keywords: Cadmium • antioxidant enzymes • phytochelaton • metal transporters

 

Resumen

El Cadmio, con su alta tasa de toxicidad, constituye una amenaza potencial para la salud humana y las plantas, es un contaminante peligroso en el medio ambiente. La absorción y acumulación en los cultivos representan la principal vía de entrada de metales tóxicos en alimentos para humanos y animales, potencialmente peligrosos para la salud. Los cultivos y otras plantas absorben Cd del suelo o del agua y pueden distribuirlo en sus raíces y brotes. El suelo y/o el agua se contaminan con Cd generalmente a través de fuentes naturales, efluentes industriales y actividades antropogénicas. En esta revisión, se resumieron las fuentes de contaminación de Cd, la evaluación de los efectos fitotóxicos en las plantas y el modo de acción de la toxicidad. Además, las estrategias de las plantas para protegerse del exceso de Cd. Los efectos inducidos por Cd incluyen el estrés oxidativo, la desintegración del aparato fotosintético, la reducción de los parámetros de intercambio de gases, el desequilibrio de nutrientes y la degradación de los orgánulos subcelulares. Además, el Cd deteriora gravemente las biomoléculas como el ADN, las proteínas y los lípidos. Aunque las plantas son de naturaleza sésil, están equipadas con ciertos mecanismos para hacer frente a condiciones desfavorables. Estos mecanismos incluyen la síntesis de proteínas quelantes de metales, la expresión de antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos, ácidos orgánicos y la asociación de la raíz de la planta y la micorriza. El sistema incorporado de tolerancia de plantas al Cd puede mejorarse aún más mediante la aplicación de fuentes orgánicas e inorgánicas de metales exógenos. Esta revisión ampliará el conocimiento sobre la acumulación de Cd en plantas y las respuestas a la exposición a metales, así como la comprensión de la tolerancia al metal y la superación de este grave problema para la agricultura sostenible y la salud humana en todo el mundo.

Palabras clave: Cadmio • enzimas antioxidantes • fitoquelaton • transportadores de metales

 
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