17.4 Kalcium
Ca är involverat i processer som celldelning, cellförlängning, celldifferentiering, cellpolaritet, cytoplasmatisk strömning, gravitropism, fotomorfogenes, växtförsvar och stressreaktioner. Som divalent katjon (Ca2+) fungerar Ca2+ som en intracellulär budbärare i cytosolen och har en nyckelroll när det gäller att upprätthålla den strukturella stabiliteten hos cellväggen och cellmembranen, och fungerar dessutom som en motkatjon för anjoner i vakuolerna (White och Broadley, 2003). Ca ger strukturell styvhet genom att bilda tvärbindningar inom pektinpolysackariderna (Easterwood, 2002). Den strukturella integriteten och kvaliteten på den producerade frukten är starkt kopplad till tillgången på Ca2+, som oftast finns i form av kalciumoxalatkristaller i plastiderna. Det har rapporterats att det aktiverar flera enzymer som ATPas, fosfolipaser, amylas, succinatdehydrogenas och antioxidanter (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger et al., 2014; Ahmad et al., 2015; He et al., 2015). Ca-tillgänglighet har observerats påverka stomatstängning, hydraulisk konduktivitet, saftflöde och upptag av joner som K+, Mg2+ osv. (Cabot et al., 2009; Ahmad et al., 2015). Man tror att i avsaknad av ett externt stimuli tenderar växtceller att upprätthålla en låg cytosolisk Ca2+-koncentration, men en snabb ökning av de cytosoliska koncentrationerna uppnås när de utsätts för externa stimuli som ljus, beröring, hormoner och biotisk och abiotisk stress, vilket främst resulterar i Ca2+/H+-antiporter och Ca2+-pumpar medierad utflöde av Ca (Bush, 1995). Bland de vanliga signalvägar som höjer koncentrationen av cytosoliskt Ca är fosfolipas C (PLC), som regleras av receptorer på cellytan, inklusive G-proteinkopplade receptorer och receptortyrosinkinaser som aktiverar PLC-enzymet, vilket leder till hydrolys av membranfosfolipiden PIP2, vilket resulterar i generering av två sekundära budbärare, det vill säga 1,4,5-trisfosfat (IP3) och diacylglycerol (DAG). DAG leder till aktivering av proteinkinas C medan IP3 diffunderar in i det endoplasmatiska retikulumet och binder sig till sin receptor (IP3-receptorn, som är en Ca2+-kanal), vilket leder till att Ca2+ frigörs från det endoplasmatiska retikulumet. En sådan stimulansmedierad ökning av Ca i cytoplasman kallas Ca-signatur och man tror att förutom IP3 har även cyklisk ADP-ribose ett betydande inflytande på Ca2+-kanalerna därför kan man säga att den ökade Ca-koncentrationen i cytosol beror på den kumulativa effekten av olika stimulerande molekyler på aktiviteten hos Ca-kanalerna (Guse et al., 1999; Pottosin och Schonknecht, 2007; Noh et al., 2015). Viktigare är att transduktionen av Ca-signaturer till biokemiska och morfologiska svar är ganska komplex och ett antal faktorer har identifierats för att reglera Ca:s specificitet mot ett visst svar (Guse et al., 1999; Zhang et al., 2014). Dessutom integrerar den interna Ca-koncentrationen och Ca-signaturen de externa stimuli med viktiga intracellulära reaktioner, och rumsliga och tidsmässiga förändringar i Ca2+ bestämmer ödet för en viss fysiologisk reaktion och dess dynamik och amplitud (Allen et al., 1999; Zhu, 2016). Ca-bindande proteiner har en kritisk roll för att avkoda och därefter överföra Ca-signaturerna och aktiveringen av mål- samt metaboliska vägar (Bagur och Hajnoczky, 2017).
En ökad koncentration av cytosoliskt Ca leder till aktivering av flera Ca2+-sensorproteiner och omvandlar därmed signalerna till en biokemisk förändring. Bland dessa sensorer ingår calmodulin (CaM), kalciumberoende proteinkinaser (CDPK) och calcineurin B-liknande (CBL) som har en avgörande roll i signalering av abiotisk stress i växter (Das och Pandey, 2010). Konformationsförändringar utlöses i sensormolekylen på grund av bindning av Ca2+ och hydrofoba fickor exponeras vilket leder till interaktioner mellan en sensor och målproteiner (Wilkins et al., 2016). Kinaser hämmar autofosforylering och ökar därmed substratfosforyleringen. Ca och dess sensorer som calmodulin (CaM) reglerar uttrycket av strukturella och regulatoriska gener genom att agera som TFs eller ökad Ca2+ kan direkt binda TFs och modulera deras aktivitet och därmed reglera genuttrycket (Yael et al., 2010). Vanligtvis interagerar Ca2+/CaM-komplexet med TFs och modulerar antingen deras DNA-bindning eller transkriptionella aktiviteter eller reglerar indirekt transkriptionen genom att associera med multikomponenternas transkriptionella maskineri som består av Ca2+/CaM-komplexet, transkriptionsfaktor-bindningsprotein (TFBP) och TFs. Slutligen leder Ca2+/CaM-komplexet till reglering av genuttryck genom att modulera TFs fosforyleringsstatus. Denna indirekta reglering uppnås av ett CaM-bindande proteinkinas och ett CaM-bindande proteinfosfatas (Kim et al., 2009). Det har rapporterats att växter som uppvisar överuttryck av dessa proteinkinaser uppvisar större stresstolerans, till exempel ökar transgent ris som överuttrycker OsCDPK7 toleransen mot torka och salthalt genom att förbättra induktionen av stressresponsiva gener (Saijo et al., 2000). Övexpression av CBL5-protein i Arabidopsis ökade toleransen mot salt- och torkstress (Cheong et al., 2010).
Ca2+-tillsats under torkstress har rapporterats öka vattenbevaringen och förbättra hydrofobiciteten hos cellmembranen samtidigt som den sänker dess genomsläpplighet genom sin interaktion med fosfater, karboxyler av fosfatider och proteiner i cellmembranen, vilket stärker deras stabilitet (Shao et al., 2008). Ca2+ förändrar membranens hydreringsstatus och förbättrar cellväggarnas sammanhållande egenskaper, vilket leder till att protoplasmens viskositet ökar och därmed ger större motståndskraft mot cellulär uttorkning. Man kan dra slutsatsen att Ca2+ medför stabilisering av växtceller genom direkta positiva effekter på de strukturella komponenterna eller grunden för torktålighet (Ma et al., 2009; Ahanger et al., 2014). Tillsats av Ca har rapporterats öka innehållet av flera aminosyror som alanin och γ-aminosmörsyra, polyaminer inklusive putrescin och spermidin, förutom klorofyllinnehållet Picearubens som utsätts för stress vid låg temperatur (Schaberg et al., 2011). Ca-tillskott mildrade signifikant de negativa effekterna av torkstress på färsk- och torrvikt, klorofyll och relativ vattenhalt tillsammans med minskat membranläckage i Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). Ca-medierad tolerans mot värmestress har tillskrivits ökad antioxidantpotential och upprätthållande av vävnadernas vatteninnehåll (Jiang och Huang, 2001). Xu et al. (2013) har visat att Ca-inducerad uppreglering av antioxidantsystemet påverkar den fotosyntetiska effektiviteten hos växter under vattenstress. Sådana effekter av Ca på ämnesomsättningen har visat sig involvera Ca-medierad reglering av ABA-signalering och antioxidantsystem (Wang et al., 2017). Uppreglering av antioxidantsystemet genom Ca skyddar funktionen av PSII och associerade fotosyntetiska komponenter genom att kontrollera ROS-koncentrationerna (Sakhonwasee och Phinkasan, 2017).
Som andra makroelement spelar Ca2+ som sekundär signal en viktig roll för att integrera extracellulära signaler och miljömässiga signaler, inklusive ljus- och stressfaktorer, som framkallar förändringar i de cellulära Ca-nivåerna, som benämns kalciumsignaturer. Ca2+-koncentrationen upprätthålls exakt av Ca2+-lagren som vakuoler, endoplasmatiska retikulum, mitokondrier och cellvägg. Ca2+ finns i mM-koncentrationer i cellväggen och vakuolerna och frigörs när cellen behöver det. Det har visats att organeller som mitokondrier, kloroplaster och kärnor har potential att generera kalciumsignaler på egen hand (Xiong et al., 2006).
Ca2+ är en viktig sekundär signalmolekyl och utgör en konvergenspunkt för flera signalvägar. Växtceller tenderar att omprogrammera den cellulära uppbyggnaden genom att initiera ett nätverk av signalhändelser från perception till respons. Det ska här noteras att endast cytosoliskt Ca2+ är involverat i olika signalvägar och reagerar på många stimuli. Stressmedierad ökning av Ca-koncentrationen aktiverar calmodulin, som i sin tur reglerar uttrycket av flera TFs och kinas- och fosfatasproteiner och därmed integrerar signaluppfattningen med uttrycket av stressspecifika gener i kärnan (Virdi et al., 2015). Därför kan identifiering av stressspecifika TFs och deras efterföljande manipulationer genom genetiska och molekylära metoder visa sig vara till hjälp för att avslöja de dolda mekanismerna för Ca-medierad stresstolerans.
Ca2+-signalvägen reglerar också en K+-kanal för låg-K-respons i Arabidopsis. Ca utgör en viktig komponent i signalvägen för sackaros som leder till induktion av fruktansyntes (Martinez-Noel et al., 2006), förutom att också reglera cellcykelutvecklingen i växter som utsätts för abiotisk stress. Ca2+ konkurrerar med andra katjoner både om dessa platser och om upptaget från jorden. Höga halter av Ca2+ förbättrar upptaget och de negativa effekterna av giftiga joner (Cd, Al och Na) samtidigt som högre halter av andra katjoner som K, Mg, P etc. bibehålls, och i vissa fall har det observerats att upptaget av Ca påverkas av närvaron av essentiella grundämnen i jordlösningen (Sanders et al., 2002; Sakhonwasee och Phinkasan, 2017). Ca-brist uppstår på grund av låg basmättnad i marken eller större försurning eller konkurrens med andra katjoner eller begränsad transpiration som sänker det xylemflödesmedierade tillskottet av Ca till växande vävnader (Zhang et al., 2014). Kalciumbrist resulterar i hämmad rottillväxt och förändrat bladutseende (Ahmad et al., 2015). Vid drastisk brist uppstår symtom som minskad cellmembranintegritet och uppkomst av bitter pit, blossom end rot och tip burn i äppelfrukter, tomater respektive sallat.