Phytotoxicity and accumulation of cadmium (109Cd) in common beans and cowpea cultivars

O feijoeiro comum (Phaseolus vulgaris L.) e caupi [Vigna ungüiculata (L.) Walp] são alimentos básicos em muitos países, principalmente no Brasil, sendo uma importante fonte de proteínas, vitaminas e minerais, incluindo ferro e zinco. O cádmio (Cd) é considerado o metal pesado mais preocupante à saúde humana. Não há estudos sobre a variabilidade genotípica quanto a concentração de Cd em diferentes feijoeiros especialmente quando submetidos próximos a concentração limítrofe para intervenção pela CETESB (3 mg kg-1). O objetivo foi determinar e comparar a concentração de Cd em grãos de diversos cultivares de feijoeiros comuns Phaseolus vulgaris L. e vigna Vigna ungüiculata L. (Walp.) em vasos de 2,5 dm-3 de terra oriunda de um latossolo típico, bem como estudar os efeitos e o acúmulo do elemento em plantas com comportamentos distintos. Os experimentos foram delineados inteiramente ao acaso. No primeiro experimento, sementes de cada espécie (15 variedades de feijoeiro comum e 5 variedades de feijoeiro vigna) foram plantadas em potes sob dois tratamentos: contaminado (3 mg dm-3 Cd) e testemunha, em três repetições. O índice SPAD foi medido nas plantas ao final do estádio vegetativo e a avaliação da produção de matéria seca da parte aérea no final do ciclo. As concentrações de Cd em grãos foram determinadas por ICP-MS. Após a seleção dos cultivares com maior e menor acumulação de Cd no grão, este foram replantados em um experimento com 3 tratamentos: 3 mg dm-3 Cd + 109Cd (solo); 109Cd (solo); 3mg dm-3 Cd (solo) + 109Cd (folha) e cinco repetições. Foram avaliadas a medição da taxa de assimilação de CO2 in vivo e amostras do limbo foliar foram coletadas para visualização através da técnica de microscopia eletrônica de transmissão. A parte aérea de feijoeiros radiomarcados foram expostas a filmes radiográficos e a contagem referente à atividade do 109Cd foi determinada por espectrometria de cintilação líquida. Resultados: O índice SPAD foi diminuído na maioria dos feijoeiros testados, principalmente nas folhas jovens. A menor e maior concentração de Cd foi observada nos cultivares BR3 Tracuateua (0,6 mg kg-1) and BRS Timbó (2,3 mg kg-1) respectivamente. Em ambos a assimilação de CO2 foi alterada pela toxicidade de Cd, mas com a presença de deformidades do limbo, clorose e abscisão da folha no BRS Timbó. Os cloroplastos do feijoeiro comum contaminado mostraram abundância de corpos osmiofílicos quando comparado ao vigna. A auto-radiografia confirmou menor transporte de Cd da raiz para a parte aérea pelo feijoeiro vigna e as concentrações deste metal na parte aérea são maiores no caule e nervuras foliares. Comparado ao BR3 Tracuateua, o feijoeiro comum BRS Timbó absorve e transloca maior quantidade de Cd aplicado na folha para o grão, mas contribui muito pouco na concentração total de Cd no feijãoThe common bean (Phaseolus vulgaris L.) and cowpea [Vigna ungüiculata (L.) Walp] are a staple foods in many countries, particularly in Brazil, and it is an important source of protein, vitamins, and minerals including iron and zinc. Cadmium (Cd) is a heavy metal considered one of the most hazardous elements for humans. No data are available on the cadmium (Cd) concentration in grain of these species, especially under conditions of CETESB critical limits in soil (3 mg kg-1). The objective were to determine and compare concentrations of Cd in grain of common beans Phaseolus vulgaris L. and cowpea Vigna ungüiculata L. (Walp.) cultivated in 3 L pots with a typical oxysol, as well as to study the effects and accumulation of Cd in plants with distinct comportment. The trials were arranged as randomized design. In the first experiment, seeds of each species (15 common beans and 5 cowpea cultivars) were sowed in pots (3 mg kg-1 Cd and control), replicated three times. The SPAD índex was measured in plants at the end of vegetative stage and the dry matter yield were evaluated. Cd concentration in grain was determined by ICP-MS. After the selection of major and minor Cd accumulators, these cultivars were sowed in a new trial with 3 treatments 3 mg dm-3 Cd + 109Cd (soil); 109Cd (soil); 3 mg dm-3 Cd (soil) + 109Cd (leaves) with five replications. The CO2 assimilation was measured in vivo. Samples of leaves were collected and the ultrastructure was observed in transmission electronic microscope. The aerial parts of beans plants were exposed to radiographic films and the activity of 109Cd in was determined by liquid scintillation spectrometry. Results: SPAD index were affected in most of plants tested, especially in Young leaves. The minor and major concentration of Cd were observed in BRS Timbó (2,3 mg kg-1) and BR3 Tracuateua (0,6 mg kg-1), respectively. In both cultivars, the CO2 assimilation was affected by Cd phytotoxicity, but there were leaves deformities, chlorosis and leaf abscision in BRS Timbó. Common beans chloroplasts showed more osmiophylics globules compared to cowpea. Autoradiography confirmed low translocation root-to-shoot in caupi BR3 Tracuateua and the concentration of Cd was higher in BR3 Timbó, especially in stem and veins of leaves. In comparison to cowpea BR3 Tracuateua, the common bean BRS Timbó absorb and translocate more Cd applied in leaves to grain, but it is inexpressive in total content of Cd in bean