17.4 Calciu
Ca este implicat în procese precum diviziunea celulară, elongația celulară, diferențierea celulară, polaritatea celulară, fluxul citoplasmatic, gravitropismul, fotomorfogeneza, apărarea plantelor și răspunsurile la stres. Ca un cation divalent (Ca2+) acționează ca un mesager intracelular în citosol și are un rol cheie în menținerea stabilității structurale a peretelui celular și a membranelor celulare și, în plus, acționează ca un contra-cation pentru anioni în vacuole (White și Broadley, 2003). Ca asigură rigiditatea structurală prin formarea de legături încrucișate în cadrul polizaharidelor de pectină (Easterwood, 2002). Existând în cea mai mare parte sub formă de cristale de oxalat de calciu în plastide, integritatea structurală, precum și calitatea fructelor produse sunt strâns legate de disponibilitatea Ca2+. S-a raportat că acesta activează mai multe enzime, cum ar fi ATPaza, fosfolipazele, amilaza, succinatul dehidrogenază și antioxidanții (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger et al., 2014; Ahmad et al., 2015; He et al., 2015). S-a observat că disponibilitatea Ca afectează închiderea stomatală, conductivitatea hidraulică, fluxul de sevă și absorbția de ioni precum K+, Mg2+ etc. (Cabot et al., 2009; Ahmad et al., 2015). Se crede că, în absența unui stimul extern, celulele plantelor tind să mențină o concentrație citosolică scăzută de Ca2+, cu toate acestea, se obține o creștere rapidă a concentrațiilor citosolice atunci când sunt expuse la stimuli externi, cum ar fi lumina, atingerea, hormonii și stresul biotic și abiotic, care rezultă în principal din cauza efluxului de Ca mediat de antiportorul Ca2+/H+ și de pompele de Ca2+ (Bush, 1995). Printre căile de semnalizare comune care cresc concentrația de Ca citosolic se numără calea fosfolipazei C (PLC), care este reglată de receptorii de la suprafața celulară, inclusiv de receptorii cuplați cu proteina G și de receptorii tirozino-kinazici care activează enzima PLC, ceea ce duce la hidroliza fosfolipidului membranar PIP2, generând astfel doi mesageri secundari, și anume 1,4,5-trisfosfat (IP3) și diacetilglicerol (DAG). DAG duce la activarea proteinei kinazei C, în timp ce IP3 difuzează în reticulul endoplasmatic legându-se de receptorul său (receptorul IP3, care este un canal de Ca2+), ducând astfel la eliberarea de Ca2+ din reticulul endoplasmatic. O astfel de creștere a Ca în citoplasmă, mediată de stimuli, se numește semnătura Ca și se crede că, pe lângă IP3, ADP riboza ciclică are, de asemenea, o influență semnificativă asupra canalelor de Ca2+, prin urmare, se poate spune că o concentrație crescută de Ca în citosol se datorează efectului cumulativ al diferitelor molecule stimulatoare asupra activității canalelor de Ca (Guse et al., 1999; Pottosin și Schonknecht, 2007; Noh et al., 2015). Mai important este faptul că transducția semnăturilor Ca în răspunsurile biochimice și morfologice sunt destul de complexe și au fost identificați o serie de factori care reglează specificitatea Ca față de un anumit răspuns (Guse et al., 1999; Zhang et al., 2014). În plus, concentrația internă de Ca și semnătura Ca integrează stimulii externi cu răspunsurile intracelulare cheie, iar modificările spațiale și temporale ale Ca2+ determină soarta unui anumit răspuns fiziologic, precum și dinamica și amplitudinea acestuia (Allen et al., 1999; Zhu, 2016). Proteinele de legare a Ca au un rol critic în decodificarea și, ulterior, în traducerea semnăturilor Ca și în activarea căii țintă, precum și a căii metabolice (Bagur și Hajnoczky, 2017).
Concentrația crescută de Ca citosolic duce la activarea mai multor proteine senzori de Ca2+, transformând astfel semnalele într-o schimbare biochimică. Printre acești senzori se numără calmodulina (CaM), protein kinazele dependente de calciu (CDPK) și calcineurina B-like (CBL) având un rol crucial în semnalizarea stresului abiotic în plante (Das și Pandey, 2010). Modificările conformaționale sunt declanșate în molecula senzorului ca urmare a legării Ca2+ și buzunarele hidrofobe sunt expuse, ceea ce duce la interacțiuni între un senzor și proteinele țintă (Wilkins et al., 2016). Kinazele inhibă autofosforilarea, crescând astfel fosforilarea substratului. Ca și senzorii săi, cum ar fi calmodulina (CaM), reglează expresia genelor structurale și de reglementare acționând ca TF-uri sau Ca2+ crescut poate lega direct TF-uri modulând activitatea acestora, reglând astfel expresia genelor (Yael et al., 2010). De obicei, complexul Ca2+/CaM interacționează cu TF și modulează fie activitățile lor de legare a ADN-ului, fie activitățile transcripționale, fie reglează indirect transcripția prin asocierea cu mecanismul transcripțional multicomponent format din complexul Ca2+/ CaM, proteina de legare a factorilor de transcripție (TFBP) și TF. În cele din urmă, complexul Ca2+/CaM duce la reglarea expresiei genice prin modularea stării de fosforilare a TF-urilor. Această reglare indirectă este realizată de o proteină kinază de legare a CaM și de o proteină fosfatază de legare a CaM (Kim et al., 2009). S-a raportat că plantele care prezintă o supraexprimare a acestor proteine kinaze prezintă o toleranță mai mare la stres, de exemplu, orezul transgenic care supraexprimă OsCDPK7 crește toleranța la secetă și salinitate prin îmbunătățirea inducerii genelor sensibile la stres (Saijo et al., 2000). Supraexprimarea proteinei CBL5 în Arabidopsis a sporit toleranța la stresul de sare și secetă (Cheong et al., 2010).
S-a raportat că adaosul de Ca2+ în condiții de stres de secetă sporește conservarea apei și îmbunătățește hidrofobicitatea membranelor celulare, reducând în același timp permeabilitatea acesteia prin interacțiunea sa cu fosfații, carboxilul fosfatidelor și proteinele din membranele celulare, consolidând astfel stabilitatea acestora (Shao et al., 2008). Ca2+ modifică starea de hidratare a membranelor și îmbunătățește proprietatea de coeziune a pereților celulari, ceea ce duce la creșterea vâscozității protoplasmei și, prin urmare, conferă mai multă rezistență la deshidratarea celulară. Se poate concluziona că Ca2+ aduce stabilizarea celulelor vegetale prin efecte pozitive directe asupra componentelor structurale sau a bazei rezistenței la secetă (Ma et al., 2009; Ahanger et al., 2014). S-a raportat că adaosul de Ca crește conținutul mai multor aminoacizi, cum ar fi alanina și acidul γ-aminobutiric, poliamine, inclusiv putrezina și spermidina, în plus față de conținutul de clorofilă Picearubens expuse la stresul de temperatură scăzută (Schaberg et al., 2011). Suplimentarea cu Ca a atenuat semnificativ efectele negative ale stresului de secetă asupra greutății proaspete și uscate, a clorofilei și a conținutului relativ de apă, concomitent cu reducerea scurgerilor de membrană la Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). Toleranța la stresul termic mediată de Ca a fost atribuită creșterii potențialului antioxidant și menținerii conținutului de apă din țesuturi (Jiang și Huang, 2001). Xu et al. (2013) a demonstrat că reglarea ascendentă a sistemului antioxidant indusă de Ca influențează eficiența fotosintetică a plantelor supuse la stres hidric. S-a demonstrat că astfel de efecte ale Ca asupra metabolismului implică reglarea mediată de Ca a semnalizării ABA și a sistemului antioxidant (Wang et al., 2017). Creșterea sistemului antioxidant de către Ca protejează funcționarea PSII și a componentelor fotosintetice asociate prin verificarea concentrațiilor de ROS (Sakhonwasee și Phinkasan, 2017).
Similar cu alte macroelemente, Ca2+ ca semnal secundar joacă un rol important în integrarea semnalelor extracelulare și a indicilor de mediu, inclusiv a factorilor de lumină și de stres, care provoacă modificări ale nivelurilor de Ca celular, denumite semnături de calciu. Concentrația de Ca2+ este menținută cu precizie de depozitele de Ca2+, cum ar fi vacuolele, reticulul endoplasmatic, mitocondriile și peretele celular. Ca2+ este prezent în concentrații de mM în peretele celular și în vacuole și este eliberat ori de câte ori este necesar pentru celulă. S-a demonstrat că organitele, inclusiv mitocondriile, cloroplastele și nucleele, au potențialul de a genera singure semnale de calciu (Xiong et al., 2006).
Ca2+ este o moleculă de semnalizare secundară importantă și constituie un punct de convergență pentru mai multe căi de semnalizare. Celulele vegetale tind să reprogrameze configurația celulară prin inițierea unei rețele de evenimente de semnalizare de la percepție la răspuns. Se va observa aici că numai Ca2+ citosolic este implicat în diverse căi de semnalizare și răspunde la numeroși stimuli. Creșterea concentrației de Ca mediată de stres activează calmodulina, care, la rândul său, reglează expresia mai multor TF-uri și proteine kinazice și fosfataze, integrând astfel percepția semnalului cu expresia genelor specifice stresului în nucleu (Virdi et al., 2015). Prin urmare, identificarea TF-urilor specifice stresului și manipularea ulterioară a acestora prin abordări genetice și moleculare se poate dovedi utilă în deslușirea mecanismelor ascunse ale toleranței la stres mediate de Ca.
Calea de semnalizare Ca2+ reglează, de asemenea, un canal K+ pentru răspunsul scăzut de K în Arabidopsis. Ca formează o componentă esențială a căii de semnalizare a zaharozei care duce la inducerea sintezei de fructan (Martinez-Noel et al., 2006), pe lângă faptul că reglează, de asemenea, progresia ciclului celular în plantele expuse la stres abiotic. Ca2+ concurează cu alți cationi atât pentru aceste situsuri, cât și pentru absorbția din sol. Nivelurile ridicate de Ca2+ ameliorează absorbția și efectele negative ale ionilor toxici (Cd, Al și Na), menținând în același timp nivelurile mai ridicate ale altor cationi, cum ar fi K, Mg, P etc., iar în anumite cazuri s-a observat că absorbția de Ca este afectată de prezența elementelor esențiale în soluția solului (Sanders et al., 2002; Sakhonwasee și Phinkasan, 2017). Deficitul de Ca apare din cauza saturației bazice scăzute a solurilor sau a unei acidificări mai mari sau a competiției cu alți cationi sau a unei transpirații restrânse care aduce în jos suplimentarea de Ca către țesuturile în creștere mediată de fluxul xilemic (Zhang et al., 2014). Deficitul de calciu duce la o creștere redusă a rădăcinilor și la modificarea aspectului frunzelor (Ahmad et al., 2015). În cazul unei deficiențe drastice apar simptome precum reducerea integrității membranei celulare și apariția sâmburelui amar, putregaiul final al florii și arsura vârfului la măr, tomate și, respectiv, salată.
.