17.4 Calcium
Ca está envolvido em processos como divisão celular, alongamento celular, diferenciação celular, polaridade celular, streaming citoplasmático, gravitropismo, fotomorfogênese, defesa da planta e respostas ao stress. Como um cátion divalente (Ca2+) atua como um mensageiro intracelular no citosol e tem um papel fundamental na manutenção da estabilidade estrutural da parede e membranas celulares, além de atuar como um contra cátion para ânions nos vacúolos (White and Broadley, 2003). Ca proporciona rigidez estrutural ao formar ligações cruzadas dentro dos polissacarídeos de pectina (Easterwood, 2002). A maioria dos cristais de oxalato de cálcio existentes como cristais em plastídeos a integridade estrutural, bem como a qualidade da fruta produzida, está fortemente ligada à disponibilidade de Ca2+. Tem sido relatado ativar várias enzimas como ATPase, fosfolipases, amilase, succinato desidrogenase e antioxidantes (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger et al., 2014; Ahmad et al., 2015; He et al., 2015). Foi observada disponibilidade de Ca para afetar o fechamento estomatológico, condutividade hidráulica, fluxo de seiva e absorção de íons como K+, Mg2+, etc. (Cabot et al., 2009; Ahmad et al., 2015). Acredita-se que na ausência de um estímulo externo as células vegetais tendem a manter uma baixa concentração de Ca2+ citosólico, entretanto, um rápido aumento nas concentrações citosólicas é alcançado quando expostas a estímulos externos como luz, toque, hormônios, e estresse biótico e abiótico resultante principalmente devido ao Ca2+/H+ antitransportador e bombas de Ca2+ e efluxo mediado de Ca (Bush, 1995). Entre as vias de sinalização comuns que elevam a concentração de Ca citosólico está a via da fosfolipase C (PLC), que é regulada por receptores de superfície celular, incluindo receptores acoplados à proteína G e receptores de tirosina kinases ativando a enzima PLC levando à hidrólise da membrana fosfolipídeo PIP2 resultando na geração de dois mensageiros secundários, ou seja, 1,4,5-trisfosfato (IP3) e diacilglicerol (DAG). O DAG leva à ativação da proteína quinase C enquanto o IP3 se difunde no retículo endoplasmático ligando-se ao seu receptor (receptor IP3, que é um canal Ca2+), levando assim à liberação de Ca2+ a partir do retículo endoplasmático. Tal estímulo mediado pelo aumento de Ca no citoplasma é chamado de assinatura Ca e acredita-se que, além do IP3, a ribose cíclica ADP também tem influência significativa nos canais de Ca2+, portanto, pode-se dizer que o aumento da concentração de Ca no citosol é devido ao efeito cumulativo de diferentes moléculas estimuladoras na atividade dos canais de Ca (Guse et al., 1999; Pottosin e Schonknecht, 2007; Noh et al., 2015). Mais importante ainda, a transdução das assinaturas de Ca nas respostas bioquímicas e morfológicas são bastante complexas e foram identificados vários fatores para regular a especificidade de Ca para uma resposta particular (Guse et al., 1999; Zhang et al., 2014). Além disso, a concentração interna de Ca e a assinatura de Ca integram os estímulos externos com respostas intracelulares chave, e mudanças espaciais e temporais em Ca2+ determinam o destino de uma resposta fisiológica particular e sua dinâmica e amplitude (Allen et al., 1999; Zhu, 2016). As proteínas de ligação Ca têm um papel crítico na descodificação e subsequente transdução das assinaturas de Ca e da activação do alvo, bem como da via metabólica (Bagur e Hajnoczky, 2017).
Concentração aumentada de Ca citosólico leva à activação de várias proteínas do sensor Ca2+, convertendo assim os sinais numa mudança bioquímica. Entre esses sensores estão a calmodulina (CaM), a proteína quinases dependente de cálcio (CDPK) e a calcineurina tipo B (CBL), tendo um papel crucial na sinalização de estresse abiótico nas plantas (Das e Pandey, 2010). Alterações conformacionais são desencadeadas na molécula do sensor devido à ligação de Ca2+ e bolsas hidrofóbicas ficam expostas levando a interações de um sensor e proteínas-alvo (Wilkins et al., 2016). As cinases inibem a autofosforilação, aumentando assim a fosforilação do substrato. Ca e seus sensores como a calmodulina (CaM) regulam a expressão de genes estruturais e reguladores agindo como TFs ou Ca2+ aumentada podem ligar diretamente TFs modulando sua atividade e assim regular a expressão gênica (Yael et al., 2010). Normalmente o complexo Ca2+/CaM interage com as TFs e modula suas atividades de ligação ou transcrição do DNA ou regula indiretamente a transcrição, associando-se com a maquinaria transcripcional multicomponente que consiste no complexo Ca2+/ CaM, proteína de ligação do fator de transcrição (TFBP), e TFs. Finalmente, o complexo Ca2+/CaM leva à regulação da expressão gênica através da modulação do status de fosforilação das TFs. Esta regulação indireta é obtida por uma proteína quinase de ligação CaM e uma proteína fosfatase de ligação CaM (Kim et al., 2009). Tem sido relatado que plantas exibindo superexpressão dessas proteínas kinases mostram maior tolerância ao estresse, por exemplo, o arroz transgênico superexpressor OsCDPK7 aumenta a tolerância à seca e à salinidade ao melhorar a indução de genes responsivos ao estresse (Saijo et al., 2000). A superexpressão da proteína CBL5 em Arabidopsis aumentou a tolerância ao stress de sal e seca (Cheong et al., 2010).
Ca2+ adição sob stress de seca tem sido relatada para melhorar a conservação da água e melhorar a hidrofobicidade das membranas celulares enquanto diminui sua permeabilidade através de sua interação com fosfatos, carboxil de fosfatídeos, e proteínas nas membranas celulares, reforçando assim sua estabilidade (Shao et al., 2008). Ca2+ altera o estado de hidratação das membranas e melhora a propriedade coesiva das paredes celulares, levando ao aumento da viscosidade do protoplasma e, portanto, conferindo maior resistência à desidratação celular. Pode-se concluir que o Ca2+ traz estabilização das células vegetais por efeitos positivos diretos nos componentes estruturais ou na base da resistência à seca (Ma et al., 2009; Ahanger et al., 2014). A adição de Ca foi relatada para aumentar o conteúdo de vários aminoácidos como alanina e γ-aminobutírico, poliaminas incluindo putrescina e espermidina, além do conteúdo de clorofila Picearubens expostos a baixa temperatura (Schaberg et al., 2011). A suplementação de Ca atenuou significativamente os efeitos negativos do stress da seca no peso fresco e seco, na clorofila e no conteúdo relativo de água concomitante com a redução do vazamento da membrana em Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). A tolerância ao stress térmico mediado pelo calor tem sido atribuída ao aumento do potencial antioxidante e à manutenção do conteúdo de água dos tecidos (Jiang e Huang, 2001). Xu et al. (2013) demonstraram a upregulação induzida por Ca- do sistema antioxidante para influenciar a eficiência fotossintética das plantas sob estresse hídrico. Tais efeitos de Ca no metabolismo têm demonstrado envolver a regulação mediada por Ca- do sistema de sinalização e antioxidante ABA (Wang et al., 2017). A Upregulação do sistema antioxidante por Ca protege o funcionamento da PSII e dos componentes fotossintéticos associados através da verificação das concentrações de ROS (Sakhonwasee e Phinkasan, 2017).
Similar a outros macroelementos, Ca2+ como sinal secundário desempenha um papel importante na integração de sinais extracelulares e sinais ambientais, incluindo luz e factores de stress que provocam alterações nos níveis celulares de Ca, denominados como assinaturas de cálcio. A concentração de Ca2+ é precisamente mantida pelos armazéns de Ca2+ como vacúolos, retículo endoplasmático, mitocôndria e parede celular. O Ca2+ está presente em concentrações de mM na parede celular e nos vacúolos e é liberado sempre que necessário pela célula. Tem sido demonstrado que organelas incluindo mitocôndrias, cloroplastos e núcleos têm o potencial de gerar sinais de cálcio por si só (Xiong et al., 2006).
Ca2+ é uma importante molécula de sinalização secundária e faz um ponto de convergência para várias vias de sinalização. As células vegetais tendem a reprogramar a configuração celular, iniciando uma rede de eventos de sinalização desde a percepção até a resposta. Deve-se notar aqui que apenas o Ca2+ citosólico está envolvido em diversas vias de sinalização e responde a inúmeros estímulos. O aumento da concentração de Ca mediado pelo estresse ativa a calmodulin, que por sua vez regula a expressão de várias TFs e proteínas cinase e fosfatase, integrando assim a percepção do sinal com a expressão de genes específicos do estresse no núcleo (Virdi et al., 2015). Portanto, a identificação de TFs específicas do estresse e suas manipulações subseqüentes através de abordagens genéticas e moleculares pode ser útil para desvendar os mecanismos ocultos da tolerância ao estresse mediada por Ca.
Ca2+signaling pathway também regula um canal K+ para baixa resposta-K em Arabidopsis. Ca forma um componente essencial da via de sinalização da sacarose que leva à indução da síntese de frutano (Martinez-Noel et al., 2006), além de regular também a progressão do ciclo celular em plantas expostas ao estresse abiótico. Ca2+ concorre com outros cátions tanto para estes locais como para a absorção do solo. Níveis elevados de Ca2+ melhoram a absorção e os efeitos negativos dos íons tóxicos (Cd, Al e Na), mantendo os níveis mais elevados de outros cátions como K, Mg, P, etc., e em certos casos tem sido observado que a absorção de Ca é afetada pela presença de elementos essenciais na solução do solo (Sanders et al., 2002; Sakhonwasee e Phinkasan, 2017). A deficiência de Ca ocorre devido à baixa saturação da base do solo ou maior acidificação ou competição com outros cátions ou transpiração restrita, levando a suplementação mediada pelo fluxo xilema de Ca aos tecidos em crescimento (Zhang et al., 2014). A deficiência de cálcio resulta em crescimento raquidiano retardado e aparecimento de folhas alteradas (Ahmad et al., 2015). Sob deficiência drástica há sintomas como redução da integridade da membrana celular e aparência de caroço amargo, apodrecimento da extremidade da flor e queimadura da ponta em frutos de maçã, tomate e alface, respectivamente.