17.4 Calcio
Il Ca è coinvolto in processi come la divisione cellulare, l’allungamento cellulare, la differenziazione cellulare, la polarità cellulare, il cytoplasmic streaming, il gravitropismo, la fotomorfogenesi, la difesa delle piante e le risposte allo stress. Come catione divalente (Ca2+) agisce come messaggero intracellulare nel citosol e ha un ruolo chiave nel mantenere la stabilità strutturale della parete cellulare e delle membrane cellulari, e inoltre agisce come contro catione per gli anioni nei vacuoli (White e Broadley, 2003). Il Ca fornisce rigidità strutturale formando legami incrociati all’interno dei polisaccaridi della pectina (Easterwood, 2002). Esistendo per lo più come cristalli di ossalato di calcio nei plastidi, l’integrità strutturale e la qualità della frutta prodotta sono fortemente legate alla disponibilità di Ca2+. È stato riportato che attiva diversi enzimi come ATPasi, fosfolipasi, amilasi, succinato deidrogenasi e antiossidanti (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger et al., 2014; Ahmad et al., 2015; He et al., 2015). La disponibilità di Ca è stata osservata per influenzare la chiusura stomatica, la conduttività idraulica, il flusso di linfa e l’assorbimento di ioni come K+, Mg2+, ecc. (Cabot et al., 2009; Ahmad et al., 2015). Si ritiene che in assenza di uno stimolo esterno le cellule vegetali tendano a mantenere una bassa concentrazione citosolica di Ca2+, tuttavia, un rapido aumento delle concentrazioni citosoliche si ottiene quando sono esposte a stimoli esterni come la luce, il tatto, gli ormoni e gli stress biotici e abiotici che risultano principalmente dovuti all’efflusso mediato di Ca2+/H+ antiporter e pompe Ca2+ (Bush, 1995). Tra le vie di segnalazione comuni che elevano la concentrazione di Ca citosolico c’è la via della fosfolipasi C (PLC), che è regolata da recettori della superficie cellulare, compresi i recettori accoppiati alle proteine G e le tirosin-chinasi che attivano l’enzima PLC portando all’idrolisi del fosfolipide di membrana PIP2 con conseguente generazione di due messaggeri secondari, cioè 1,4,5-trisfosfato (IP3) e diacilglicerolo (DAG). Il DAG porta all’attivazione della proteina chinasi C, mentre l’IP3 si diffonde nel reticolo endoplasmatico legandosi al suo recettore (recettore IP3, che è un canale del Ca2+), portando così al rilascio di Ca2+ dal reticolo endoplasmatico. Tale aumento mediato dallo stimolo di Ca nel citoplasma è chiamato firma di Ca e si ritiene che oltre all’IP3, anche l’ADP ribosio ciclico abbia una significativa influenza sui canali di Ca2+ quindi si potrebbe dire che l’aumento della concentrazione di Ca nel citosol è dovuto all’effetto cumulativo di diverse molecole stimolanti sull’attività dei canali di Ca (Guse et al., 1999; Pottosin e Schonknecht, 2007; Noh et al., 2015). Ancora più importante è il fatto che la trasduzione delle firme di Ca nelle risposte biochimiche e morfologiche sono piuttosto complesse e sono stati identificati diversi fattori che regolano la specificità del Ca verso una particolare risposta (Guse et al., 1999; Zhang et al., 2014). Oltre a questo la concentrazione interna di Ca e la firma di Ca integrano gli stimoli esterni con le risposte intracellulari chiave, e i cambiamenti spaziali e temporali di Ca2+ determinano il destino di una particolare risposta fisiologica e la sua dinamica e ampiezza (Allen et al., 1999; Zhu, 2016). Le proteine leganti il Ca hanno un ruolo critico nel decodificare e successivamente trasdurre le firme del Ca e l’attivazione del target così come la via metabolica (Bagur e Hajnoczky, 2017).
L’aumento della concentrazione di Ca citosolico porta all’attivazione di diverse proteine sensori di Ca2+ convertendo così i segnali in un cambiamento biochimico. Tra questi sensori ci sono la calmodulina (CaM), le protein chinasi calcio dipendenti (CDPK) e la calcineurina B-like (CBL) che hanno un ruolo cruciale nella segnalazione dello stress abiotico nelle piante (Das e Pandey, 2010). I cambiamenti conformazionali sono innescati nella molecola del sensore a causa del legame del Ca2+ e le tasche idrofobiche vengono esposte portando alle interazioni di un sensore e delle proteine bersaglio (Wilkins et al., 2016). Le chinasi inibiscono l’autofosforilazione aumentando così la fosforilazione del substrato. Il Ca e i suoi sensori come la calmodulina (CaM) regolano l’espressione dei geni strutturali e regolatori agendo come TFs o l’aumento del Ca2+ può legare direttamente i TFs modulando la loro attività e regolando così l’espressione genica (Yael et al., 2010). Di solito il complesso Ca2+/CaM interagisce con i TF e modula il loro legame al DNA o le loro attività trascrizionali o regola indirettamente la trascrizione associandosi al macchinario trascrizionale multicomponente costituito dal complesso Ca2+/ CaM, dalla proteina legante il fattore di trascrizione (TFBP) e dai TF. Infine, il complesso Ca2+/CaM porta alla regolazione dell’espressione genica modulando lo stato di fosforilazione dei TF. Questa regolazione indiretta è realizzata da una proteina chinasi legante CaM e da una proteina fosfatasi legante CaM (Kim et al., 2009). È stato riportato che le piante che esibiscono la sovraespressione di queste protein chinasi mostrano una maggiore tolleranza allo stress, per esempio, il riso transgenico che sovraesprime OsCDPK7 aumenta la tolleranza alla siccità e alla salinità migliorando l’induzione dei geni sensibili allo stress (Saijo et al., 2000). La sovraespressione della proteina CBL5 in Arabidopsis ha migliorato la tolleranza allo stress da sale e da siccità (Cheong et al., 2010).
L’aggiunta di Ca2+ sotto stress da siccità è stata riportata per aumentare la conservazione dell’acqua e migliorare l’idrofobicità delle membrane cellulari, abbassandone la permeabilità attraverso la sua interazione con fosfati, carbossile dei fosfatidi e proteine nelle membrane cellulari, rafforzando così la loro stabilità (Shao et al., 2008). Il Ca2+ altera lo stato di idratazione delle membrane e migliora la proprietà coesiva delle pareti cellulari portando ad un aumento della viscosità del protoplasma e quindi conferendo maggiore resistenza alla disidratazione cellulare. Si può concludere che il Ca2+ porta alla stabilizzazione delle cellule vegetali attraverso effetti positivi diretti sui componenti strutturali o sulla base della resistenza alla siccità (Ma et al., 2009; Ahanger et al., 2014). L’aggiunta di Ca è stato segnalato per aumentare il contenuto di diversi aminoacidi come alanina e acido γ-aminobutirrico, poliammine tra cui putrescina e spermidina, oltre al contenuto di clorofilla Picearubens esposti a stress da bassa temperatura (Schaberg et al., 2011). L’integrazione di Ca ha significativamente mitigato gli effetti negativi dello stress da siccità sul peso fresco e secco, la clorofilla e il contenuto relativo di acqua in concomitanza con una ridotta perdita di membrana in Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). La tolleranza allo stress termico mediata dal Ca è stata attribuita all’aumento del potenziale antiossidante e al mantenimento del contenuto idrico dei tessuti (Jiang e Huang, 2001). Xu et al. (2013) hanno dimostrato che l’upregulation indotta dal Ca del sistema antiossidante influenza l’efficienza fotosintetica delle piante sotto stress idrico. Tali effetti del Ca sul metabolismo hanno dimostrato di coinvolgere la regolazione mediata dal Ca della segnalazione ABA e del sistema antiossidante (Wang et al., 2017). L’aumento del sistema antiossidante da parte del Ca protegge il funzionamento del PSII e dei componenti fotosintetici associati controllando le concentrazioni di ROS (Sakhonwasee e Phinkasan, 2017).
Similmente ad altri macroelementi, il Ca2+ come segnale secondario gioca un ruolo importante nell’integrare i segnali extracellulari e gli spunti ambientali, compresi i fattori di luce e di stress che provocano cambiamenti nei livelli cellulari di Ca, definiti come firme del calcio. La concentrazione di Ca2+ è mantenuta con precisione dai depositi di Ca2+ come i vacuoli, il reticolo endoplasmatico, i mitocondri e la parete cellulare. Il Ca2+ è presente in concentrazioni di mM nella parete cellulare e nei vacuoli e viene rilasciato quando la cellula lo richiede. È stato dimostrato che gli organelli, compresi i mitocondri, i cloroplasti e i nuclei, hanno il potenziale di generare segnali di calcio da soli (Xiong et al., 2006).
Il Ca2+ è un’importante molecola di segnalazione secondaria e costituisce un punto di convergenza per diverse vie di segnalazione. Le cellule vegetali tendono a riprogrammare l’assetto cellulare avviando una rete di eventi di segnalazione dalla percezione alla risposta. Si deve notare qui che solo il Ca2+ citosolico è coinvolto in diverse vie di segnalazione e risponde a numerosi stimoli. L’aumento mediato dallo stress della concentrazione di Ca attiva la calmodulina, che a sua volta regola l’espressione di diversi TF e proteine chinasi e fosfatasi integrando così la percezione del segnale con l’espressione di geni specifici dello stress nel nucleo (Virdi et al., 2015). Pertanto, l’identificazione di TFs specifici per lo stress e le loro successive manipolazioni attraverso approcci genetici e molecolari può rivelarsi utile per svelare i meccanismi nascosti della tolleranza allo stress mediata dal Ca.
La via di segnalazione del Ca2+ regola anche un canale K+ per la risposta low-K in Arabidopsis. Il Ca è un componente essenziale della via di segnalazione del saccarosio che porta all’induzione della sintesi del fruttosano (Martinez-Noel et al., 2006), oltre a regolare la progressione del ciclo cellulare nelle piante esposte a stress abiotico. Il Ca2+ compete con altri cationi sia per questi siti che per l’assorbimento dal suolo. Alti livelli di Ca2+ migliorano l’assorbimento e gli effetti negativi degli ioni tossici (Cd, Al e Na) mantenendo i livelli più alti di altri cationi come K, Mg, P, ecc, e in alcuni casi è stato osservato che l’assorbimento di Ca è influenzato dalla presenza di elementi essenziali nella soluzione del suolo (Sanders et al., 2002; Sakhonwasee e Phinkasan, 2017). La carenza di Ca si verifica a causa di una bassa saturazione di base dei terreni o di una maggiore acidificazione o di una competizione con altri cationi o di una limitata traspirazione che abbassa l’integrazione mediata dal flusso xilematico di Ca ai tessuti in crescita (Zhang et al., 2014). La carenza di calcio si traduce in una crescita stentata delle radici e in un aspetto alterato delle foglie (Ahmad et al., 2015). In caso di carenza drastica si verificano sintomi come la ridotta integrità della membrana cellulare e la comparsa di fossa amara, marciume dell’estremità del fiore e bruciatura della punta rispettivamente nel frutto del melo, nel pomodoro e nella lattuga.