17.4 Wapń
Ca jest zaangażowany w procesy takie jak podziały komórkowe, wydłużanie komórek, różnicowanie komórek, polaryzacja komórek, strumieniowanie cytoplazmatyczne, grawitropizm, fotomorfogeneza, obrona roślin i reakcje na stres. Jako kation dwuwartościowy (Ca2+) działa jako wewnątrzkomórkowy posłaniec w cytozolu i ma kluczową rolę w utrzymaniu strukturalnej stabilności ściany komórkowej i błon komórkowych, a ponadto działa jako kation przeciwny dla anionów w wakuolach (White i Broadley, 2003). Ca zapewnia sztywność strukturalną poprzez tworzenie wiązań krzyżowych w polisacharydach pektynowych (Easterwood, 2002). Występuje głównie w postaci kryształów szczawianu wapnia w plastydach. Integralność strukturalna, jak również jakość produkowanych owoców jest silnie związana z dostępnością Ca2+. Stwierdzono, że aktywuje on kilka enzymów, takich jak ATPaza, fosfolipazy, amylaza, dehydrogenaza bursztynianowa i antyoksydanty (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger i in., 2014; Ahmad i in., 2015; He i in., 2015). Zaobserwowano, że dostępność Ca wpływa na zamykanie szpar, przewodnictwo hydrauliczne, przepływ soków i pobieranie jonów takich jak K+, Mg2+, itp. (Cabot i in., 2009; Ahmad i in., 2015). Uważa się, że w przypadku braku bodźca zewnętrznego komórki roślinne wykazują tendencję do utrzymywania niskiego stężenia cytozolowego Ca2+, jednakże pod wpływem bodźców zewnętrznych, takich jak światło, dotyk, hormony oraz stresy biotyczne i abiotyczne dochodzi do gwałtownego wzrostu stężenia cytozolowego, głównie w wyniku działania antyporterów Ca2+/H+ i pomp Ca2+ pośredniczących w odpływie Ca (Bush, 1995). Do powszechnych szlaków sygnałowych podnoszących stężenie cytozolowego Ca należy szlak fosfolipazy C (PLC), który jest regulowany przez receptory na powierzchni komórki, w tym receptory sprzężone z białkami G oraz receptorowe kinazy tyrozynowe, aktywujące enzym PLC, co prowadzi do hydrolizy fosfolipidu błonowego PIP2, w wyniku czego powstają dwa wtórne posłańce, tj. 1,4,5-trójfosforan (IP3) i diacyloglicerol (DAG). DAG prowadzi do aktywacji kinazy białkowej C, podczas gdy IP3 dyfunduje do retikulum endoplazmatycznego, wiążąc się ze swoim receptorem (receptor IP3, który jest kanałem Ca2+), co prowadzi do uwolnienia Ca2+ z retikulum endoplazmatycznego. Taki pośredniczony przez bodziec wzrost stężenia Ca w cytoplazmie nazywany jest sygnaturą Ca i uważa się, że oprócz IP3 istotny wpływ na kanały Ca2+ ma również cykliczna ADP ryboza, dlatego można powiedzieć, że wzrost stężenia Ca w cytozolu jest wynikiem skumulowanego wpływu różnych cząsteczek stymulujących na aktywność kanałów Ca (Guse i in., 1999; Pottosin i Schonknecht, 2007; Noh i in., 2015). Co ważniejsze, transdukcja sygnatur Ca na odpowiedzi biochemiczne i morfologiczne jest dość złożona i zidentyfikowano szereg czynników regulujących specyficzność Ca w kierunku określonej odpowiedzi (Guse i in., 1999; Zhang i in., 2014). Dodatkowo wewnętrzne stężenie Ca i sygnatura Ca integrują bodźce zewnętrzne z kluczowymi odpowiedziami wewnątrzkomórkowymi, a przestrzenne i czasowe zmiany w Ca2+ determinują losy konkretnej odpowiedzi fizjologicznej oraz jej dynamikę i amplitudę (Allen i in., 1999; Zhu, 2016). Białka wiążące Ca pełnią krytyczną rolę w dekodowaniu, a następnie transdukcji sygnatur Ca i aktywacji zarówno szlaków docelowych, jak i metabolicznych (Bagur i Hajnoczky, 2017).
Podwyższone stężenie cytozolowego Ca prowadzi do aktywacji kilku białek sensorowych Ca2+, przekształcając w ten sposób sygnały w zmiany biochemiczne. Wśród tych czujników znajdują się kalmodulina (CaM), kinazy białkowe zależne od wapnia (CDPK) oraz kalcyneuryna B-podobna (CBL), które odgrywają kluczową rolę w sygnalizacji stresu abiotycznego u roślin (Das i Pandey, 2010). W wyniku zwi±zania Ca2+ w cz±steczce sensora dochodzi do zmian konformacyjnych, a kieszenie hydrofobowe ulegaj± odsłonięciu, prowadz±c do interakcji sensora z białkami docelowymi (Wilkins i in., 2016). Kinazy hamują autofosforylację, zwiększając tym samym fosforylację substratu. Ca i jego sensory, takie jak kalmodulina (CaM), regulują ekspresję genów strukturalnych i regulatorowych poprzez działanie jako TFs lub podwyższony poziom Ca2+ może bezpośrednio wiązać TFs modulując ich aktywność, regulując w ten sposób ekspresję genów (Yael i in., 2010). Zazwyczaj kompleks Ca2+/CaM oddziałuje z TFs i moduluje albo ich aktywność wiązania DNA lub transkrypcyjną, albo pośrednio reguluje transkrypcję poprzez asocjację z wieloskładnikową maszynerią transkrypcyjną składającą się z kompleksu Ca2+/CaM, białka wiążącego czynnik transkrypcyjny (TFBP) i TFs. Wreszcie, kompleks Ca2+/CaM prowadzi do regulacji ekspresji genów poprzez modulację statusu fosforylacji TFs. Ta pośrednia regulacja jest realizowana przez kinazę białkową wiążącą CaM i fosfatazę białkową wiążącą CaM (Kim i in., 2009). Wykazano, że rośliny wykazujące nadekspresję tych kinaz białkowych wykazują większą tolerancję na stres, np. transgeniczny ryż nadeksprymujący OsCDPK7 zwiększa tolerancję na suszę i zasolenie poprzez poprawę indukcji genów reagujących na stres (Saijo i in., 2000). Nadekspresja białka CBL5 w Arabidopsis zwiększa tolerancję na stres soli i suszy (Cheong i in., 2010).
Dodatek Ca2+ w stresie suszy zwiększa ochronę wody i poprawia hydrofobowość błon komórkowych, jednocześnie obniżając ich przepuszczalność poprzez interakcję z fosforanami, karboksylem fosfatydów i białkami w błonach komórkowych, wzmacniając ich stabilność (Shao i in., 2008). Ca2+ zmienia stan uwodnienia błon i poprawia właściwości kohezyjne ścian komórkowych, prowadząc do zwiększenia lepkości protoplazmy, a tym samym nadając większą odporność na odwodnienie komórek. Można wnioskować, że Ca2+ przynosi stabilizację komórek roślinnych poprzez bezpośredni pozytywny wpływ na składniki strukturalne lub podstawy odporności na suszę (Ma i in., 2009; Ahanger i in., 2014). Wykazano, że dodatek Ca zwiększa zawartość kilku aminokwasów, takich jak alanina i kwas γ-aminomasłowy, poliamin, w tym putrescyny i spermidyny, a także zawartość chlorofilu Picearubens narażonych na stres niskiej temperatury (Schaberg i in., 2011). Suplementacja Ca znacząco złagodziła negatywny wpływ stresu suszy na świeżą i suchą masę, chlorofil i względną zawartość wody, przy jednoczesnym zmniejszeniu wycieku błonowego w Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). Tolerancja na stres cieplny mediowana przez Ca została przypisana zwiększonemu potencjałowi antyoksydacyjnemu i utrzymaniu zawartości wody w tkankach (Jiang i Huang, 2001). Xu i wsp. (2013) wykazali, że indukowana przez Ca upregulacja systemu antyoksydacyjnego wpływa na wydajność fotosyntezy roślin w warunkach stresu wodnego. Wykazano, że taki wpływ Ca na metabolizm wiąże się z pośredniczoną przez Ca regulacją sygnalizacji ABA i systemu antyoksydacyjnego (Wang i in., 2017). Upregulation of the antioxidant system by Ca protects the functioning of PSII and associated photosynthetic components by checking the ROS concentrations (Sakhonwasee and Phinkasan, 2017).
Podobnie jak inne makroelementy, Ca2+ jako sygnał wtórny odgrywa ważną rolę w integracji sygnałów zewnątrzkomórkowych i wskazówek środowiskowych, w tym światła i czynników stresowych wywołujących zmiany w komórkowym poziomie Ca, określane jako sygnatury wapniowe. Stężenie Ca2+ jest precyzyjnie utrzymywane przez takie magazyny Ca2+ jak wakuole, retikulum endoplazmatyczne, mitochondria i ściana komórkowa. Ca2+ jest obecny w stężeniach mM w ścianie komórkowej i wakuolach i jest uwalniany, gdy tylko jest to wymagane przez komórkę. Wykazano, że organelle, w tym mitochondria, chloroplasty i j±dra maj± potencjał do samodzielnego generowania sygnałów wapniowych (Xiong i in., 2006).
Ca2+ jest ważn± wtórn± cz±steczk± sygnałow± i stanowi punkt zbieżny dla wielu szlaków sygnałowych. Komórki roślinne mają tendencję do przeprogramowywania ustawień komórkowych poprzez inicjowanie sieci zdarzeń sygnalizacyjnych od percepcji do odpowiedzi. Należy zaznaczyć, że tylko cytozolowy Ca2+ jest zaangażowany w różnorodne szlaki sygnałowe i odpowiada na liczne bodźce. Mediowany przez stres wzrost stężenia Ca aktywuje kalmodulinę, która z kolei reguluje ekspresję kilku TFs oraz kinaz i fosfataz białkowych, integrując w ten sposób percepcję sygnału z ekspresją genów specyficznych dla stresu w jądrze komórkowym (Virdi i in., 2015). Dlatego też, identyfikacja specyficznych dla stresu TFs i ich późniejsze manipulacje poprzez podejścia genetyczne i molekularne mogą okazać się pomocne w odkryciu ukrytych mechanizmów tolerancji na stres mediowanych przez Ca.
Scieżka sygnalizacji Ca2+ reguluje również kanał K+ dla odpowiedzi Low-K w Arabidopsis. Ca stanowi istotny element szlaku sygnalizacji sacharozy, który prowadzi do indukcji syntezy fruktanów (Martinez-Noel i in., 2006), a także do regulacji progresji cyklu komórkowego u roślin narażonych na stres abiotyczny. Ca2+ konkuruje z innymi kationami zarówno o te miejsca, jak i o pobór z gleby. Wysoki poziom Ca2+ łagodzi pobieranie i negatywne skutki działania jonów toksycznych (Cd, Al i Na) przy jednoczesnym utrzymaniu wyższego poziomu innych kationów, takich jak K, Mg, P, etc., a w niektórych przypadkach zaobserwowano, że na pobieranie Ca wpływa obecność pierwiastków niezbędnych w roztworze glebowym (Sanders i in., 2002; Sakhonwasee i Phinkasan, 2017). Niedobór Ca występuje z powodu niskiego nasycenia gleb zasadą lub większego zakwaszenia lub konkurencji z innymi kationami lub ograniczonej transpiracji obniżającej pośredniczoną przez przepływ ksylemowy suplementację Ca do rosnących tkanek (Zhang i in., 2014). Niedobór wapnia skutkuje zahamowaniem wzrostu korzeni i zmianą wyglądu liści (Ahmad i in., 2015). W warunkach drastycznego niedoboru występują objawy takie jak zmniejszenie integralności błon komórkowych i pojawienie się gorzkiej jamy, zgnilizny końcówek liści i tip burn odpowiednio w owocach jabłoni, pomidora i sałaty.
.