Hazardous environmental factors and their impact on plant vital activity and biosecurity

Abstract

The aim of this study was to analyse the impact of hazardous environmental factors on plant viability and biosecurity, as well as to develop strategies for mitigating their toxic effects. Experiments were conducted using agricultural crops, including rapeseed (Brassica napus), rice (Oryza sativa), common wheat (Triticum aestivum), potato (Solanum tuberosum), and tomato (Solanum lycopersicum). The effects of heavy metals (cadmium, lead, mercury), ionising radiation, climatic extremes (high temperature, drought), and biotic pathogens (Phytophthora infestans, tobacco mosaic virus) were investigated under laboratory conditions. Quantification of metal concentrations, photosynthetic activity, stress gene expression, and pathogen prediction were performed using spectrometric, fluorometric, molecular-genetic, and machine-learning approaches. The results demonstrated that cadmium accumulated in rice grains at concentrations of up to 2.8 mg/kg, exceeding the maximum permissible levels established by the Food and Agriculture Organization of the United Nations and the World Health Organization by 2.3-fold (p<0.001). The combined exposure to cadmium and elevated temperature (+35°C) resulted in a synergistic reduction in plant biomass by 75% compared to individual stress factors (p<0.01). Under radiation exposure, the activity of antioxidant enzymes, such as catalase and superoxide dismutase, increased by 150-220%; however, prolonged stress led to a 275% accumulation of malondialdehyde, a marker of oxidative damage. A machine-learning predictive model achieved 89% accuracy in identifying risk zones for the fungal pathogen Phytophthora infestans, with an area under the curve of 0.93. The practical significance of these findings lies in their applicability for environmental monitoring, the development of adaptive agro-technologies, the breeding of stress-resistant cultivars, and the implementation of biosecurity measures in agriculture.

-

Метою дослідження було проаналізувати вплив небезпечних факторів довкілля на життєдіяльність і біобезпеку рослин та розробити стратегії зменшення їхнього токсичного ефекту. Експерименти проводили з використанням сільськогосподарських культур, таких як ріпак (Brassica napus), рис (Oryza sativa), пшениця м’яка (Triticum aestivum), картопля (Solanum tuberosum) та томати (Solanum lycopersicum). Досліджували вплив важких металів (кадмій, свинець, ртуть), іонізуючого випромінювання, кліматичних екстремумів (висока температура, посуха) та біотичних патогенів (Phytophthora infestans, вірус тютюнової мозаїки) у лабораторних умовах. Визначення концентрацій металів, фотосинтетичної активності, експресії стресових генів та прогнозування патогенів здійснювали із застосуванням спектрометричних, флуорометричних, молекулярно-генетичних та машинних підходів. Результати показали, що кадмій накопичувався в зерні рису до 2,8 мг/кг, що в 2,3 рази перевищує максимально допустимі рівні, встановлені Продовольчою та сільськогосподарською організацією Об’єднаних Націй та Всесвітньою організацією охорони здоров’я (p<0,001). Комбінований вплив кадмію та підвищеної температури (+35°C) призводив до синергетичного зниження біомаси рослин на 75% порівняно з окремими стресовими факторами (p<0,01). При радіаційному опроміненні активність антиоксидантних ферментів, таких як каталаза та супероксиддисмутаза, зростала на 150-220 %, проте тривалий стрес спричиняв накопичення малонового діальдегіду, маркера окисного пошкодження, на 275 %. Прогностична модель машинного навчання демонструвала точність 89 % у визначенні зон ризику для грибкового патогена Phytophthora infestans, з площею під кривою 0,93. Практична значимість отриманих результатів полягає у можливості їх застосування для екологічного моніторингу, розробки адаптивних агротехнологій, селекції стійких до стресу сортів та впровадження біобезпекових заходів у сільському господарстві.