干旱脅迫對植物體內(nèi)鈣離子含量和分布的影響研究進展

李 雪，王勝男，程江珂

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

干旱脅迫屬于非生物脅迫之一，是嚴重影響植物生長發(fā)育和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然災害之一。在我國，干旱不同程度地危害著1/2以上種植面積的農(nóng)作物，造成農(nóng)作物產(chǎn)量下降20%左右，這給國民經(jīng)濟造成了巨大的損失。目前，關于干旱脅迫的研究主要集中于干旱脅迫對植物光合系統(tǒng)、抗氧化物酶系統(tǒng)以及一些內(nèi)源激素的影響方面，而對植物體內(nèi)礦質(zhì)元素，特別是Ca元素的研究還很少。Ca2+是植物體內(nèi)的第二信使，它廣泛參與植物響應各種非生物和生物脅迫的信號傳導，在植物生長發(fā)育過程中起著非常重要的作用。從細胞結構和生理功能方面來說，Ca2+可以將生物膜表面的硝酸鹽、磷酸酯與蛋白質(zhì)的羧基連接起來，維持細胞膜對離子的吸收。Ca2+在穩(wěn)定細胞膜和細胞壁結構、調(diào)節(jié)生長發(fā)育和參與胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)等方面均有著重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥保衛(wèi)細胞的質(zhì)膜上存在Ca敏感受體，它會被胞外的Ca2+激活，從而使胞內(nèi)Ca2+濃度增加。同時，也會讓胞外Ca2+和胞內(nèi)Ca信號通過一定的特異性聯(lián)系起來。這證明了胞外Ca2+有著第一信使的作用。但大多數(shù)研究表明，Ca2+以細胞內(nèi)的第二信使的身份產(chǎn)生Ca信號來應對干旱、冷害等各種逆境脅迫。鑒于此，綜述Ca2+在植物體內(nèi)的含量、分布、功能及干旱脅迫對植物體內(nèi)Ca2+含量和分布的影響，以及Ca2+變化的原因，為國內(nèi)外研究Ca信號作參考，也為今后研究離子組學奠定基礎。

1 植物體內(nèi)Ca2+的概況

1.1 植物體內(nèi)Ca2+的含量與分布

不同的植物種類、部位和器官，Ca的含量也不相同。一般情況下，雙子葉植物的細胞壁中陽離子交換量較大，所以Ca含量也較高，而單子葉植物Ca含量則相反?？傮w而言，植物體內(nèi)Ca含量為0.1%～0.5%，在細胞壁上分布最多。細胞內(nèi)的Ca主要在液泡中分布，胞質(zhì)中含量比較少。

Ca通過Ca2+通道以被動擴散的方式進入植物細胞內(nèi)。為了使細胞質(zhì)Ca濃度維持在較低水平，細胞還需要經(jīng)過一些特定的機制主動地把Ca排到胞外。

1.2 植物體內(nèi)Ca2+的功能

1.2.1 維持細胞膜的穩(wěn)定性Ca2+可以將植物體內(nèi)細胞膜表面的磷酸酯、硝酸鹽與蛋白質(zhì)的羧基連接在一起，使細胞膜結構得到穩(wěn)定，從而保證細胞膜對離子吸收的穩(wěn)定性。植物體內(nèi)缺Ca，或原生質(zhì)膜上的Ca2+被重金屬離子或質(zhì)子取代，則會發(fā)生細胞質(zhì)向外滲出、選擇吸收能力下降的情況。當植物體嚴重缺Ca時，細胞膜結構徹底解體。

1.2.2 維持細胞壁的穩(wěn)固植物細胞壁中含有大量與Ca2+結合的位點，多數(shù)Ca2+與植物細胞壁中的果膠質(zhì)結合在一起。這樣不僅能夠穩(wěn)定細胞壁的結構，還可以調(diào)節(jié)膜的透性和有關的生理生化過程。研究表明，在蘋果果實的貯藏組織中，有90%的Ca都在細胞壁上結合。缺Ca會阻礙細胞壁的形成，并影響根尖和莖尖等分生組織的細胞分裂。同時，缺Ca會破壞原生質(zhì)體膜，植物細胞容易遭受病原菌的感染。

1.2.3 參與細胞的信息傳遞當植物細胞接收到某種信號時，細胞膜會增大Ca2+的通透性。當胞質(zhì)中Ca2+濃度增加到臨界值時，鈣調(diào)蛋白會與之結合，產(chǎn)生Ca-CAM復合體，激活CAM。這種激活后的CAM還可以使植物體內(nèi)多種關鍵酶進一步激活，包括NAD激酶、Ca-ATP酶等。這些酶會使細胞產(chǎn)生和信號相對應的一系列生理生化反應。

1.2.4 影響果實品質(zhì)Ca處理可明顯提高果實的單粒質(zhì)量、可溶性固形物及花青素含量，并降低果實硬度和酸度。成熟果實中Ca含量較高時，可以減緩在貯藏過程中出現(xiàn)的腐爛現(xiàn)象，延長貯藏時間，提高保藏后的水果品質(zhì)。

2 植物體內(nèi)Ca2+含量的測定方法

想要研究干旱脅迫對植物體內(nèi)Ca2+的影響，就需要準確測量植物細胞內(nèi)Ca2+的水平。而在細胞生物學研究領域，對細胞內(nèi)Ca2+含量的測定方法有一些要求：(1)在選擇使用Ca2+特異性指示劑時，要選擇Ca2+專一結合性強、親和力高的指示劑，這樣可更好地測定低含量Ca2+；(2)能夠測量出Ca2+絕對含量；(3)反應Ca2+水平改變的速度要高于細胞內(nèi)Ca2+信號引起相關生理反應的速度；(4)Ca2+與指示劑的結合過程中，要不影響細胞內(nèi)正常生理過程；(5)能輕松進入細胞且在細胞溶質(zhì)內(nèi)擴散；(6)指示劑不應該跨過內(nèi)膜系統(tǒng)進入細胞器，這才能夠測定細胞溶質(zhì)部分Ca2+含量；(7)能夠反映胞內(nèi)Ca2+分布情況。

目前，國內(nèi)外已有很多定量測定胞內(nèi)Ca2+含量的方法，主要分為2種，物理測定法和熒光測定法。其中，物理方法包括X 射線微區(qū)分析技術、原子吸收光譜法、離子選擇性微電極技術、同位素示蹤技術、核磁共振光譜技術等。但這些方法有很多不利的影響，有的會使細胞死亡，有的不能將游離的Ca2+與結合Ca2+區(qū)分開，甚至會嚴重損傷細胞?？傮w而言，很難在不干擾細胞代謝的情況下定量分析細胞內(nèi)游離Ca2+含量及其變化。因此，在Ca2+研究中很少使用這些方法。熒光測定法是一類新發(fā)展起來的Ca2+含量測定方法，它是利用可以與Ca2+特異結合的化學分子，讓它與Ca2+結合，之后它的光學性質(zhì)發(fā)生改變，在相應的波長激發(fā)光下會出現(xiàn)特定波長的熒光，熒光的強弱與溶液中的Ca2+含量呈現(xiàn)相關性。所以，可以利用熒光強度來反映細胞中Ca2+含量。陳少良等研究鹽脅迫條件下楊樹組織及細胞中鉀、Ca、鎂含量變化用的是X射線微區(qū)分析技術。近年來，使用較多的一種研究Ca2+含量的方法是焦銻酸鈣沉淀的細胞化學方法。

3 干旱脅迫對植物體內(nèi)Ca2+含量和分布的影響

Ca2+是植物生長必不可少的元素，因為Ca2+維持著植物細胞膜的穩(wěn)定性，它還能夠調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的滲透壓，使植物能夠抵抗不良環(huán)境。在干旱脅迫下，a2+的吸收和堆積能減少干旱對植物生長發(fā)育造成的有害影響，從而增強植物體的抗旱能力。研究發(fā)現(xiàn)，在紫花苜蓿外施加脫落酸，會讓水分脅迫下紫花苜蓿吸收Ca2+的能力增強，同時紫花苜蓿的抗旱性也得到增強。適當?shù)腃a處理能夠明顯提高植物體內(nèi)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（ASP）3種酶的活性，使這些酶在植物抵御干旱的時候起到重要作用。

Ca2+作為植物體內(nèi)的第二信使，在很大程度上參與了脅迫信號的感受、傳遞、響應，從而影響參與植物抗旱的酶的活性，以此來提高植物的抗旱性。在干旱脅迫不斷加劇的情況下，植物體內(nèi)Ca2+含量會逐漸降低，打破細胞內(nèi)礦質(zhì)元素含量與滲透壓的平衡狀態(tài)?？梢酝ㄟ^使用水楊酸讓Ca2+含量增加且提高它的向上運輸。相關研究表明，在干旱脅迫下施加外源Ca，可以促進花生的營養(yǎng)生長，增加其葉片中葉綠素含量、凈光合速率與根系活力，還可以增強干旱后復水過程中花生的恢復能力，降低干旱對花生的損害，使花生產(chǎn)量提高。由此可見，施Ca可以提高植物對Ca2+的吸收，而植物體內(nèi)Ca2+水平的增加可以讓作物的品質(zhì)得到改善。

在干旱脅迫下植株幼苗根尖Ca2+分布的位置發(fā)生了改變，形成Ca2+流。在正常水分條件下，根尖細胞的Ca2+大部分分布在細胞壁和細胞核中；而當根尖細胞處于干旱脅迫下，其Ca2+會充滿細胞質(zhì)，增加外源Ca2+會讓根尖細胞質(zhì)中的Ca2+含量提高，添加Ca2+螯合劑會導致根尖細胞質(zhì)中Ca2+含量降低。在干旱脅迫條件下，幼苗根尖細胞會從細胞外、細胞壁以及細胞核等Ca庫通過Ca2+通道向細胞質(zhì)轉運Ca2+，從而使Ca2+分布發(fā)生改變，形成電位差，產(chǎn)生Ca信號。

在干旱脅迫條件下，植物體內(nèi)會發(fā)生各種生理變化，根系對Ca2+的吸收受到抑制，主要原因是根系從生長環(huán)境中吸收Ca2+的能力下降，這會造成植株體內(nèi)缺Ca2+，進而產(chǎn)生各種不良反應。干旱脅迫還會導致鉀離子和氯離子大量流失而Ca2+吸收增加，對植物的保衛(wèi)細胞產(chǎn)生影響。在保衛(wèi)細胞的氣孔開閉現(xiàn)象中，以及植物細胞吸水體積膨脹壓力中，Ca2+的移動起著至關重要的作用。在鄭青松等研究的水分脅迫對油菜幼苗礦質(zhì)離子含量的影響中發(fā)現(xiàn)，當Ca2+含量明顯下降時，植株生長會受到抑制。所以，Ca2+的吸收對植物是不可或缺的，重新構建植物體內(nèi)Ca2+分布，用來抵御干旱脅迫傷害是植物抗旱性的一個重要表現(xiàn)。

4 展望

Ca2+作為植物細胞中的第二信使，與植物抵抗各種逆境密切相關。在植物細胞壁、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜以及液泡膜上都存在跨膜的Ca2+梯度變化，植物體內(nèi)Ca2+含量也不盡相同，Ca2+在細胞質(zhì)和細胞核中的分布也不均勻。Ca2+的含量和分布在受到外界刺激時，會發(fā)生變化，產(chǎn)生Ca信號。

液泡是貯藏Ca2+最豐富的地方，可以說是細胞中最大的Ca2+庫。在不良環(huán)境刺激Ca2+通道時，液泡膜中的Ca2+會釋放出來進入細胞質(zhì)。除此之外，細胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+含量應低于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)體和線粒體。在干旱脅迫下，研究細胞中Ca2+含量的變化、影響因素，在離子水平上揭示其機制，有助于深入研究植物的抗旱機理，也可以提高植株對逆境脅迫的適應性。

干旱脅迫是常見的逆境脅迫之一，而在這種脅迫下，植物體內(nèi)的Ca2+含量發(fā)生了變化，但一系列的研究表明，施用一定濃度的Ca2+和一些外源激素在一定程度上可以提高植物體內(nèi)Ca2+含量，幫助植物抵抗干旱的傷害，還可以提高作物的品質(zhì)。如果在研究Ca2+的過程中，適當運用分子生物學技術或基因調(diào)控手段將會是生物學的又一突破，但當下對于干旱脅迫下Ca2+的研究還很少，在生產(chǎn)過程中，要使用方便、直接、有效的方法來抵御干旱，還需進一步的研究。深入研究Ca2+響應逆境脅迫機制，還可以為國內(nèi)外研究Ca信號作參考，同時也為新興的離子組學研究奠定基礎。