Gravitropismo
17.4 Calcio
El Ca está implicado en procesos como la división celular, la elongación celular, la diferenciación celular, la polaridad celular, el flujo citoplasmático, el gravitropismo, la fotomorfogénesis, la defensa de las plantas y las respuestas al estrés. Como catión divalente (Ca2+) actúa como mensajero intracelular en el citosol y tiene un papel clave en el mantenimiento de la estabilidad estructural de la pared celular y de las membranas celulares, y además actúa como un catión contrario a los aniones en las vacuolas (White y Broadley, 2003). El Ca proporciona rigidez estructural al formar enlaces cruzados dentro de los polisacáridos de pectina (Easterwood, 2002). La integridad estructural y la calidad de la fruta producida están fuertemente ligadas a la disponibilidad de Ca2+, principalmente en forma de cristales de oxalato de calcio en los plastos. Se ha informado de que activa varias enzimas como la ATPasa, las fosfolipasas, la amilasa, la succinato deshidrogenasa y los antioxidantes (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger et al., 2014; Ahmad et al., 2015; He et al., 2015). Se ha observado que la disponibilidad de Ca afecta al cierre estomático, a la conductividad hidráulica, al flujo de savia y a la captación de iones como K+, Mg2+, etc. (Cabot et al., 2009; Ahmad et al., 2015). Se cree que en ausencia de un estímulo externo las células vegetales tienden a mantener una baja concentración de Ca2+ citosólico, sin embargo, se logra un rápido aumento de las concentraciones citosólicas cuando se exponen a estímulos externos como la luz, el tacto, las hormonas y el estrés biótico y abiótico, lo que resulta principalmente debido al antiportador de Ca2+/H+ y al eflujo de Ca mediado por bombas de Ca2+ (Bush, 1995). Entre las vías de señalización comunes que elevan la concentración de Ca citosólico está la vía de la fosfolipasa C (PLC), que está regulada por los receptores de la superficie celular, incluidos los receptores acoplados a proteínas G y las tirosina quinasas receptoras que activan la enzima PLC, lo que conduce a la hidrólisis del fosfolípido de membrana PIP2, que da lugar a la generación de dos mensajeros secundarios, es decir, el 1,4,5-trifosfato (IP3) y el diacilglicerol (DAG). El DAG conduce a la activación de la proteína quinasa C, mientras que el IP3 se difunde en el retículo endoplásmico uniéndose a su receptor (receptor de IP3, que es un canal de Ca2+), lo que conduce a la liberación de Ca2+ del retículo endoplásmico. Este aumento de Ca en el citoplasma mediado por un estímulo se denomina firma de Ca y se cree que, además del IP3, la ADP ribosa cíclica también tiene una influencia significativa en los canales de Ca2+, por lo que podría decirse que el aumento de la concentración de Ca en el citosol se debe al efecto acumulativo de diferentes moléculas estimuladoras sobre la actividad de los canales de Ca (Guse et al., 1999; Pottosin y Schonknecht, 2007; Noh et al., 2015). Lo que es más importante, la transducción de las señales de Ca en las respuestas bioquímicas y morfológicas son bastante complejas y se han identificado varios factores que regulan la especificidad del Ca hacia una respuesta particular (Guse et al., 1999; Zhang et al., 2014). Además de esto, la concentración interna de Ca y la firma de Ca integran los estímulos externos con las respuestas intracelulares clave, y los cambios espaciales y temporales en el Ca2+ determinan el destino de una respuesta fisiológica particular y su dinámica y amplitud (Allen et al., 1999; Zhu, 2016). Las proteínas de unión al Ca tienen un papel crítico en la decodificación y posterior transducción de las señales de Ca y la activación de la vía diana así como metabólica (Bagur y Hajnoczky, 2017).
El aumento de la concentración de Ca citosólico conduce a la activación de varias proteínas sensoras de Ca2+ convirtiendo así las señales en un cambio bioquímico. Entre estos sensores se incluyen la calmodulina (CaM), las proteínas quinasas dependientes del calcio (CDPK) y la calcineurina B-like (CBL) que tienen un papel crucial en la señalización del estrés abiótico en las plantas (Das y Pandey, 2010). Los cambios conformacionales se desencadenan en la molécula del sensor debido a la unión del Ca2+ y los bolsillos hidrofóbicos se exponen dando lugar a las interacciones de un sensor y las proteínas objetivo (Wilkins et al., 2016). Las quinasas inhiben la autofosforilación, aumentando así la fosforilación del sustrato. El Ca y sus sensores, como la calmodulina (CaM), regulan la expresión de genes estructurales y reguladores actuando como TFs o el aumento de Ca2+ puede unirse directamente a los TFs modulando su actividad y, por tanto, regulando la expresión génica (Yael et al., 2010). Por lo general, el complejo Ca2+/CaM interactúa con los TFs y modula su unión al ADN o sus actividades transcripcionales o regula indirectamente la transcripción al asociarse con la maquinaria transcripcional multicomponente que consiste en el complejo Ca2+/CaM, la proteína de unión al factor de transcripción (TFBP) y los TFs. Finalmente, el complejo Ca2+/CaM conduce a la regulación de la expresión génica mediante la modulación del estado de fosforilación de los TFs. Esta regulación indirecta se logra mediante una proteína quinasa de unión al CaM y una proteína fosfatasa de unión al CaM (Kim et al., 2009). Se ha reportado que las plantas que exhiben la sobreexpresión de estas proteínas quinasas muestran una mayor tolerancia al estrés, por ejemplo, el arroz transgénico que sobreexpresa OsCDPK7 aumenta la tolerancia a la sequía y a la salinidad al mejorar la inducción de los genes que responden al estrés (Saijo et al., 2000). La sobreexpresión de la proteína CBL5 en Arabidopsis mejoró la tolerancia al estrés por sal y por sequía (Cheong et al., 2010).
Se ha informado que la adición de Ca2+ bajo estrés por sequía aumenta la conservación del agua y mejora la hidrofobicidad de las membranas celulares, a la vez que disminuye su permeabilidad a través de su interacción con los fosfatos, los carboxilos de los fosfátidos y las proteínas de las membranas celulares, reforzando así su estabilidad (Shao et al., 2008). El Ca2+ altera el estado de hidratación de las membranas y mejora la propiedad cohesiva de las paredes celulares, lo que conduce a un aumento de la viscosidad del protoplasma y, por tanto, a una mayor resistencia a la deshidratación celular. Se puede concluir que el Ca2+ trae la estabilización de las células de la planta por los efectos positivos directos sobre los componentes estructurales o la base de la resistencia a la sequía (Ma et al., 2009; Ahanger et al., 2014). Se ha reportado que la adición de Ca aumenta el contenido de varios aminoácidos como la alanina y el ácido γ-aminobutírico, las poliaminas incluyendo la putrescina y la espermidina, además del contenido de clorofila de los Picearubens expuestos al estrés por bajas temperaturas (Schaberg et al., 2011). La suplementación con Ca mitigó significativamente los efectos negativos del estrés por sequía en el peso fresco y seco, la clorofila y el contenido relativo de agua, concomitantemente con la reducción de la fuga de membrana en Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). La tolerancia al estrés térmico mediada por el Ca se ha atribuido al aumento del potencial antioxidante y al mantenimiento del contenido de agua de los tejidos (Jiang y Huang, 2001). Xu et al. (2013) han demostrado que la regulación del sistema antioxidante inducida por el Ca influye en la eficiencia fotosintética de las plantas bajo estrés hídrico. Se ha demostrado que estos efectos del Ca en el metabolismo implican la regulación mediada por el Ca de la señalización del ABA y del sistema antioxidante (Wang et al., 2017). La estimulación del sistema antioxidante por el Ca protege el funcionamiento del PSII y los componentes fotosintéticos asociados mediante el control de las concentraciones de ROS (Sakhonwasee y Phinkasan, 2017).
De manera similar a otros macroelementos, el Ca2+ como señal secundaria juega un papel importante en la integración de las señales extracelulares y las señales ambientales, incluyendo la luz y los factores de estrés que provocan cambios en los niveles celulares de Ca, denominados firmas de calcio. La concentración de Ca2+ es mantenida con precisión por los almacenes de Ca2+ como las vacuolas, el retículo endoplásmico, las mitocondrias y la pared celular. El Ca2+ está presente en concentraciones mM en la pared celular y las vacuolas y se libera cuando la célula lo necesita. Se ha demostrado que los orgánulos, incluyendo las mitocondrias, los cloroplastos y los núcleos, tienen el potencial de generar señales de calcio por sí mismos (Xiong et al., 2006).
El Ca2+ es una importante molécula de señalización secundaria y constituye un punto de convergencia para varias vías de señalización. Las células vegetales tienden a reprogramar la configuración celular iniciando una red de eventos de señalización desde la percepción hasta la respuesta. Se observará aquí que sólo el Ca2+ citosólico está implicado en diversas vías de señalización y responde a numerosos estímulos. El aumento de la concentración de Ca mediado por el estrés activa la calmodulina, que a su vez regula la expresión de varios TF y proteínas quinasas y fosfatasas, integrando así la percepción de la señal con la expresión de genes específicos del estrés en el núcleo (Virdi et al., 2015). Por lo tanto, la identificación de TFs específicos de estrés y su posterior manipulación a través de enfoques genéticos y moleculares puede resultar útil para desentrañar los mecanismos ocultos de la tolerancia al estrés mediada por el Ca.
La vía de señalización del Ca2+ también regula un canal de K+ para la respuesta de bajo K en Arabidopsis. El Ca forma un componente esencial de la vía de señalización de la sacarosa que conduce a la inducción de la síntesis de fructanos (Martínez-Noel et al., 2006), además de regular también la progresión del ciclo celular en plantas expuestas a estrés abiótico. El Ca2+ compite con otros cationes tanto por estos sitios como por la captación desde el suelo. Altos niveles de Ca2+ mejoran la captación y los efectos negativos de los iones tóxicos (Cd, Al y Na) mientras se mantienen los niveles más altos de otros cationes como K, Mg, P, etc., y en ciertos casos se ha observado que la captación de Ca se ve afectada por la presencia de elementos esenciales en la solución del suelo (Sanders et al., 2002; Sakhonwasee y Phinkasan, 2017). La deficiencia de Ca se produce debido a la baja saturación de bases de los suelos o a una mayor acidificación o a la competencia con otros cationes o a la restricción de la transpiración, lo que reduce la suplementación de Ca mediada por el flujo del xilema a los tejidos en crecimiento (Zhang et al., 2014). La deficiencia de calcio da lugar a un retraso en el crecimiento de las raíces y a una alteración del aspecto de las hojas (Ahmad et al., 2015). Bajo una deficiencia drástica hay síntomas como la reducción de la integridad de las membranas celulares y la aparición de un pozo amargo, pudrición del extremo de la flor y quemadura de la punta en la fruta de la manzana, el tomate y la lechuga, respectivamente.