17.4 Vápník
Ca se podílí na procesech, jako je buněčné dělení, prodlužování buněk, diferenciace buněk, polarita buněk, cytoplazmatické proudění, gravitropismus, fotomorfogeneze, obrana rostlin a reakce na stres. Jako dvojmocný kationt (Ca2+) působí v cytosolu jako intracelulární posel a má klíčovou úlohu při udržování strukturální stability buněčné stěny a buněčných membrán a navíc působí jako protijedoucí kationt pro anionty ve vakuolách (White a Broadley, 2003). Ca zajišťuje strukturní tuhost tím, že vytváří příčné vazby v polysacharidech pektinu (Easterwood, 2002). V plastidech se většinou vyskytují jako krystaly šťavelanu vápenatého, a proto je strukturní integrita i kvalita plodů silně vázána na dostupnost Ca2+. Uvádí se, že aktivuje několik enzymů, například ATPázu, fosfolipázy, amylázu, sukcinátdehydrogenázu a antioxidanty (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger et al., 2014; Ahmad et al., 2015; He et al., 2015). Bylo zjištěno, že dostupnost Ca ovlivňuje uzavírání stomat, hydraulickou vodivost, tok mízy a příjem iontů jako K+, Mg2+ atd. (Cabot et al., 2009; Ahmad et al., 2015). Předpokládá se, že v nepřítomnosti vnějšího podnětu mají rostlinné buňky tendenci udržovat nízkou cytosolickou koncentraci Ca2+, avšak při vystavení vnějším podnětům, jako je světlo, dotyk, hormony a biotické a abiotické stresy, dochází k rychlému nárůstu cytosolické koncentrace, což je důsledkem především Ca2+/H+ antiporteru a Ca2+ pumpami zprostředkovaného odtoku Ca (Bush, 1995). Mezi běžné signální dráhy zvyšující koncentraci cytosolického Ca patří dráha fosfolipázy C (PLC), která je regulována receptory na povrchu buněk, včetně receptorů spřažených s G proteiny a receptorovými tyrozinkinázami aktivujícími enzym PLC vedoucí k hydrolýze membránového fosfolipidu PIP2, což vede ke vzniku dvou sekundárních poslů, tj. 1,4,5-trisfosfátu (IP3) a diacylglycerolu (DAG). DAG vede k aktivaci proteinkinázy C, zatímco IP3 difunduje do endoplazmatického retikula a váže se na svůj receptor (IP3 receptor, což je Ca2+ kanál), což vede k uvolnění Ca2+ z endoplazmatického retikula. Takové stimulací zprostředkované zvýšení Ca v cytoplazmě se nazývá Ca signatura a předpokládá se, že kromě IP3 má na Ca2+ kanály významný vliv také cyklická ADP ribóza, proto lze říci, že zvýšená koncentrace Ca v cytosolu je způsobena kumulativním účinkem různých stimulačních molekul na aktivitu Ca kanálů (Guse et al., 1999; Pottosin a Schonknecht, 2007; Noh et al., 2015). Důležitější je, že transdukce Ca signatur do biochemických a morfologických odpovědí je poměrně složitá a byla identifikována řada faktorů, které regulují specifičnost Ca vůči konkrétní odpovědi (Guse et al., 1999; Zhang et al., 2014). Kromě toho vnitřní koncentrace Ca a Ca signatura integrují vnější podněty s klíčovými intracelulárními odpověďmi a prostorové a časové změny Ca2+ určují osud konkrétní fyziologické odpovědi a její dynamiku a amplitudu (Allen et al., 1999; Zhu, 2016). Ca vazebné proteiny hrají klíčovou roli v dekódování a následné transdukci Ca signatur a aktivaci cílové i metabolické dráhy (Bagur a Hajnoczky, 2017).
Zvýšená koncentrace cytosolického Ca vede k aktivaci několika Ca2+ senzorových proteinů, čímž se signály přemění na biochemickou změnu. Mezi tyto senzory patří kalmodulin (CaM), kalcium dependentní proteinkinázy (CDPK) a kalcineurin B-like (CBL) mající klíčovou roli v signalizaci abiotického stresu u rostlin (Das a Pandey, 2010). V důsledku vazby Ca2+ dochází v molekule senzoru ke konformačním změnám a obnažují se hydrofobní kapsy, což vede k interakci senzoru a cílových proteinů (Wilkins et al., 2016). Kinázy inhibují autofosforylaci, čímž zvyšují fosforylaci substrátu. Ca a jeho senzory, jako je kalmodulin (CaM), regulují expresi strukturních a regulačních genů tím, že působí jako TF nebo zvýšený Ca2+ může přímo vázat TF a modulovat jejich aktivitu, a tím regulovat genovou expresi (Yael et al., 2010). Obvykle komplex Ca2+/CaM interaguje s TFs a moduluje buď jejich vazbu na DNA, nebo transkripční aktivitu, nebo nepřímo reguluje transkripci tím, že se spojuje s multikomponentním transkripčním strojem sestávajícím z komplexu Ca2+/ CaM, proteinu vázajícího transkripční faktory (TFBP) a TFs. A konečně komplex Ca2+/CaM vede k regulaci genové exprese modulací fosforylačního stavu TFs. Tuto nepřímou regulaci zajišťuje proteinová kináza vázající CaM a proteinová fosfatáza vázající CaM (Kim et al., 2009). Bylo zjištěno, že rostliny vykazující nadměrnou expresi těchto proteinkináz vykazují větší odolnost vůči stresu, například transgenní rýže nadměrně exprimující OsCDPK7 zvyšuje odolnost vůči suchu a zasolení zlepšením indukce genů reagujících na stres (Saijo et al., 2000). Nadměrná exprese proteinu CBL5 u Arabidopsis zvýšila toleranci vůči stresu ze soli a sucha (Cheong et al., 2010).
Uvádí se, že přídavek Ca2+ při stresu ze sucha zvyšuje zachování vody a zlepšuje hydrofobicitu buněčných membrán a zároveň snižuje jejich propustnost prostřednictvím interakce s fosfáty, karboxyly fosfatidů a bílkovinami v buněčných membránách, čímž posiluje jejich stabilitu (Shao et al., 2008). Ca2+ mění stav hydratace membrán a zlepšuje kohezní vlastnosti buněčných stěn, což vede ke zvýšení viskozity protoplazmy, a tím k větší odolnosti vůči dehydrataci buněk. Lze konstatovat, že Ca2+ přináší stabilizaci rostlinných buněk přímým pozitivním vlivem na strukturní složky nebo základ odolnosti vůči suchu (Ma et al., 2009; Ahanger et al., 2014). Bylo zjištěno, že přídavek Ca zvyšuje obsah několika aminokyselin, jako je alanin a kyselina γ-aminomáselná, polyaminů včetně putrescinu a spermidinu, kromě obsahu chlorofylu Picearubens vystavených stresu z nízkých teplot (Schaberg et al., 2011). Přídavek Ca významně zmírnil negativní účinky stresu suchem na čerstvou a suchou hmotnost, chlorofyl a relativní obsah vody současně se snížením úniku membrán u Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). Tolerance vůči tepelnému stresu zprostředkovaná Ca byla přisuzována zvýšenému antioxidačnímu potenciálu a udržení obsahu vody v tkáních (Jiang a Huang, 2001). Xu et al. (2013) prokázali, že Ca indukovaná upregulace antioxidačního systému ovlivňuje fotosyntetickou účinnost rostlin při vodním stresu. Ukázalo se, že tyto účinky Ca na metabolismus zahrnují regulaci signalizace ABA a antioxidačního systému zprostředkovanou Ca (Wang et al., 2017). Upregulace antioxidačního systému pomocí Ca chrání fungování PSII a přidružených fotosyntetických komponent kontrolou koncentrace ROS (Sakhonwasee a Phinkasan, 2017).
Podobně jako jiné makroelementy hraje Ca2+ jako sekundární signál důležitou roli při integraci extracelulárních signálů a signálů prostředí včetně světelných a stresových faktorů vyvolávajících změny v buněčných hladinách Ca, označovaných jako vápníkové signatury. Koncentrace Ca2+ je přesně udržována zásobárnami Ca2+, jako jsou vakuoly, endoplazmatické retikulum, mitochondrie a buněčná stěna. Ca2+ je přítomen v mM koncentracích v buněčné stěně a vakuolách a je uvolňován, kdykoli to buňka potřebuje. Bylo prokázáno, že organely včetně mitochondrií, chloroplastů a jader mají potenciál samy generovat vápníkové signály (Xiong et al., 2006).
Ca2+ je důležitou sekundární signální molekulou a tvoří konvergenční bod pro několik signálních drah. Rostlinné buňky mají tendenci přeprogramovat buněčné uspořádání spuštěním sítě signalizačních událostí od vnímání po reakci. Zde bude uvedeno, že pouze cytosolický Ca2+ je zapojen do rozmanitých signálních drah a reaguje na četné podněty. Stresem zprostředkované zvýšení koncentrace Ca aktivuje kalmodulin, který následně reguluje expresi několika TF a kinázových a fosfatázových proteinů, čímž integruje vnímání signálu s expresí genů specifických pro stres v jádře (Virdi et al., 2015). Identifikace stresově specifických TF a jejich následná manipulace pomocí genetických a molekulárních přístupů se proto může ukázat jako užitečná při odhalování skrytých mechanismů tolerance ke stresu zprostředkované Ca.
Ca2+signální dráha také reguluje K+ kanál pro reakci na nízký obsah K v Arabidopsis. Ca tvoří základní součást signální dráhy sacharózy, která vede k indukci syntézy fruktanu (Martinez-Noel et al., 2006), kromě toho také reguluje průběh buněčného cyklu u rostlin vystavených abiotickému stresu. Ca2+ soutěží s ostatními kationty jak o tato místa, tak o příjem z půdy. Vysoké hladiny Ca2+ zmírňují příjem a negativní účinky toxických iontů (Cd, Al a Na) při zachování vyšších hladin ostatních kationtů jako K, Mg, P atd. a v některých případech bylo pozorováno, že příjem Ca je ovlivněn přítomností základních prvků v půdním roztoku (Sanders et al., 2002; Sakhonwasee a Phinkasan, 2017). K nedostatku Ca dochází v důsledku nízkého nasycení půd bází nebo většího okyselení či konkurence s jinými kationty nebo omezené transpirace snižující xylémovým tokem zprostředkované doplňování Ca do růstových pletiv (Zhang et al., 2014). Nedostatek vápníku má za následek zpomalení růstu kořenů a změnu vzhledu listů (Ahmad et al., 2015). Při drastickém nedostatku se objevují příznaky, jako je snížená integrita buněčných membrán a výskyt hořké pecky, hniloby na konci květu a spálení špiček u plodů jabloní, rajčat a salátu v tomto pořadí.