Gravitropisme

17.4 Calcium

Ca is betrokken bij processen als celdeling, celstrekking, celdifferentiatie, celpolariteit, cytoplasmatische stroming, gravitropisme, fotomorfogenese, plantenverdediging en stressreacties. Als tweewaardig kation (Ca2+) fungeert het als een intracellulaire boodschapper in het cytosol en speelt het een sleutelrol in het behoud van de structurele stabiliteit van celwand en celmembranen, en fungeert het bovendien als tegenkation voor anionen in de vacuolen (White en Broadley, 2003). Ca zorgt voor structurele stijfheid door cross-links te vormen binnen de pectinepolysacchariden (Easterwood, 2002). Meestal aanwezig als calciumoxalaatkristallen in plastiden, is de structurele integriteit en de kwaliteit van het geproduceerde fruit sterk gekoppeld aan de beschikbaarheid van Ca2+. Er is gerapporteerd dat het verschillende enzymen activeert, zoals ATPase, fosfolipasen, amylase, succinaatdehydrogenase en antioxidanten (Pliethand Vollbehr, 2012; Ahanger et al., 2014; Ahmad et al., 2015; He et al., 2015). Er is waargenomen dat de beschikbaarheid van Ca invloed heeft op de sluiting van de huidmondjes, de hydraulische geleidbaarheid, de sapstroom en de opname van ionen zoals K+, Mg2+, enz. (Cabot et al., 2009; Ahmad et al., 2015). Aangenomen wordt dat plantencellen bij afwezigheid van een externe stimulus de neiging hebben om een lage cytosolische Ca2+ concentratie te handhaven, maar dat een snelle toename van de cytosolische concentraties wordt bereikt bij blootstelling aan externe stimuli zoals licht, aanraking, hormonen, en biotische en abiotische stress, wat voornamelijk het gevolg is van Ca2+/H+ antiporter en Ca2+ pompen gemedieerde efflux van Ca (Bush, 1995). Een van de meest voorkomende signaaltransductieroutes die de concentratie van cytosol Ca verhogen, is de fosfolipase C (PLC)-route, die wordt gereguleerd door receptoren aan de celwand, waaronder G-eiwit gekoppelde receptoren en receptor tyrosine kinasen die het PLC-enzym activeren, hetgeen leidt tot hydrolyse van het membraanfosfolipide PIP2, waardoor twee secundaire boodschappers worden gegenereerd, namelijk 1,4,5-trisfosfaat (IP3) en diacylglycerol (DAG). DAG leidt tot activering van proteïne kinase C, terwijl IP3 zich in het endoplasmatisch reticulum verspreidt en zich aan zijn receptor bindt (IP3-receptor, een Ca2+-kanaal), waardoor Ca2+ vrijkomt uit het endoplasmatisch reticulum. Een dergelijke door prikkels gemedieerde toename van Ca in het cytoplasma wordt de Ca-signatuur genoemd en men gaat ervan uit dat naast IP3 ook cyclische ADP-ribose een aanzienlijke invloed heeft op Ca2+-kanalen, zodat men zou kunnen zeggen dat een verhoogde Ca-concentratie in het cytosol het gevolg is van het cumulatieve effect van verschillende stimulerende moleculen op de activiteit van Ca-kanalen (Guse et al., 1999; Pottosin en Schonknecht, 2007; Noh et al., 2015). Belangrijker is dat de transductie van Ca-signaturen in de biochemische en morfologische responsen vrij complex zijn en dat een aantal factoren zijn geïdentificeerd om de specificiteit van Ca naar een bepaalde respons te reguleren (Guse et al., 1999; Zhang et al., 2014). Daarnaast integreren de interne Ca concentratie en Ca signatuur de externe stimuli met belangrijke intracellulaire responsen, en ruimtelijke en temporele veranderingen in Ca2+ bepalen het lot van een bepaalde fysiologische respons en de dynamiek en amplitude ervan (Allen et al., 1999; Zhu, 2016). Ca-bindende eiwitten spelen een cruciale rol bij het decoderen en vervolgens transduceren van de Ca-signaturen en de activering van zowel doel- als metabolische pathway (Bagur en Hajnoczky, 2017).

Verhoogde concentratie van cytosol Ca leidt tot de activering van verschillende Ca2+ sensoreiwitten waardoor de signalen worden omgezet in een biochemische verandering. Tot deze sensoren behoren calmoduline (CaM), calciumafhankelijke proteïnekinasen (CDPK) en calcineurine B-achtige (CBL), die een cruciale rol spelen in de abiotische stresssignalering in planten (Das en Pandey, 2010). Conformationele veranderingen worden teweeggebracht in het sensormolecuul door binding van Ca2+ en hydrofobe pockets komen bloot te liggen wat leidt tot interacties tussen een sensor en doeleiwitten (Wilkins et al., 2016). Kinasen remmen autofosforylering waardoor de fosforylering van het substraat toeneemt. Ca en zijn sensoren zoals calmoduline (CaM) reguleren de expressie van structurele en regulerende genen door als TF’s op te treden of een verhoogd Ca2+ kan TF’s direct binden en zo hun activiteit moduleren en de genexpressie reguleren (Yael et al., 2010). Gewoonlijk interageert Ca2+/CaM-complex met TF’s en moduleert hun DNA-bindende of transcriptionele activiteiten of reguleert het indirect de transcriptie door zich te associëren met de multicomponente transcriptionele machinerie bestaande uit Ca2+/CaM-complex, transcriptiefactor bindend eiwit (TFBP), en TF’s. Tenslotte leidt Ca2+/CaM-complex tot regulering van genexpressie door modulatie van de fosforylatiestatus van TF’s. Deze indirecte regulatie wordt bewerkstelligd door een CaM bindend eiwit kinase en een CaM bindend eiwit fosfatase (Kim et al., 2009). Er is gerapporteerd dat planten met overexpressie van deze proteïnekinasen een grotere stresstolerantie vertonen, bijvoorbeeld transgene rijst met overexpressie van OsCDPK7 verhoogt de droogte- en zouttolerantie door de inductie van stressresponsieve genen te verbeteren (Saijo et al., 2000). Overexpressie van het CBL5 eiwit in Arabidopsis verhoogt de tolerantie tegen zout- en droogtestress (Cheong et al., 2010).

Ca2+ toevoeging onder droogtestress verbetert het waterbehoud en verbetert de hydrofobiciteit van celmembranen, terwijl het de permeabiliteit verlaagt door interactie met fosfaten, carboxyl van fosfatiden, en eiwitten in celmembranen, waardoor hun stabiliteit wordt versterkt (Shao et al., 2008). Ca2+ verandert de hydratatiestatus van membranen en verbetert de cohesie-eigenschappen van celwanden, wat leidt tot een verhoging van de viscositeit van het protoplasma en daardoor tot een grotere weerstand tegen cellulaire uitdroging. Er kan worden geconcludeerd dat Ca2+ zorgt voor stabilisatie van plantencellen door directe positieve effecten op de structurele componenten of de basis van droogteresistentie (Ma et al., 2009; Ahanger et al., 2014). Toevoeging van Ca heeft naar verluidt de gehalten aan verschillende aminozuren zoals alanine en γ-aminoboterzuur, polyaminen waaronder putrescine en spermidine, verhoogd, naast het chlorofylgehalte Picearubens blootgesteld aan lage temperatuur stress (Schaberg et al., 2011). Toevoeging van Ca verminderde de negatieve effecten van droogtestress op vers en droog gewicht, chlorofyl en het relatieve watergehalte aanzienlijk, samen met verminderde membraanlekkage in Vicia faba (Abdel-Basset, 1998). Ca-gemedieerde hittestresstolerantie is toegeschreven aan een verhoogd antioxidantpotentieel en het behoud van het weefselwatergehalte (Jiang en Huang, 2001). Xu et al. (2013) hebben aangetoond dat Ca-geïnduceerde opregulatie van het antioxidantensysteem de fotosynthetische efficiëntie van planten onder waterstress beïnvloedt. Dergelijke effecten van Ca op het metabolisme blijken de Ca-gemedieerde regulatie van ABA-signalering en antioxidantensysteem te betrekken (Wang et al., 2017). Upregulatie van het antioxidantensysteem door Ca beschermt de werking van PSII en geassocieerde fotosynthesecomponenten door de ROS-concentraties te controleren (Sakhonwasee en Phinkasan, 2017).

Gelijk aan andere macro-elementen speelt Ca2+ als secundair signaal een belangrijke rol bij de integratie van extracellulaire signalen en omgevingscues, waaronder licht- en stressfactoren, die veranderingen in de cellulaire Ca-niveaus uitlokken, aangeduid als calciumsignaturen. De concentratie van Ca2+ wordt nauwkeurig in stand gehouden door de Ca2+ opslagplaatsen zoals vacuolen, endoplasmatisch reticulum, mitochondriën en celwand. Ca2+ is in mM concentraties aanwezig in de celwand en vacuolen en wordt vrijgegeven wanneer de cel dit nodig heeft. Er is aangetoond dat organellen, waaronder mitochondriën, chloroplasten en kernen, zelf calciumsignalen kunnen genereren (Xiong et al., 2006).

Ca2+ is een belangrijke secundaire signaalmolecule en vormt een convergentiepunt voor verschillende signaalwegen. Plantencellen hebben de neiging de cellulaire structuur te herprogrammeren door een netwerk van signaleringsgebeurtenissen op gang te brengen, van waarneming tot reactie. Hier moet worden opgemerkt dat alleen cytosol Ca2+ betrokken is bij diverse signaalwegen en reageert op talrijke stimuli. Stress gemedieerde verhoging van Ca concentratie activeert calmoduline, dat op zijn beurt de expressie van verschillende TFs en kinase en fosfatase eiwitten reguleert en zo de signaalperceptie integreert met de expressie van stress-specifieke genen in de kern (Virdi et al., 2015). Daarom kan de identificatie van stress-specifieke TF’s en hun daaropvolgende manipulaties door middel van genetische en moleculaire benaderingen nuttig blijken bij het ontrafelen van de verborgen mechanismen van Ca gemedieerde stresstolerantie.

Ca2+signaleringsroute reguleert ook een K+ kanaal voor laag-K respons in Arabidopsis. Ca is een essentieel onderdeel van de sucrose-signaleringsroute die leidt tot de inductie van fructaan-synthese (Martinez-Noel et al., 2006), en reguleert ook de celcyclus in planten die aan abiotische stress zijn blootgesteld. Ca2+ concurreert met andere kationen zowel voor deze plaatsen als voor de opname uit de bodem. Hoge Ca2+-niveaus verminderen de opname en de negatieve effecten van toxische ionen (Cd, Al en Na), terwijl de hogere niveaus van andere kationen zoals K, Mg, P, enz. worden gehandhaafd, en in bepaalde gevallen is waargenomen dat de opname van Ca wordt beïnvloed door de aanwezigheid van essentiële elementen in de bodemoplossing (Sanders et al., 2002; Sakhonwasee en Phinkasan, 2017). Ca-deficiëntie treedt op als gevolg van een lage basenverzadiging van de bodem of een grotere verzuring of concurrentie met andere kationen of een beperkte transpiratie waardoor de door de xyleemstroom gemedieerde suppletie van Ca naar de groeiende weefsels wordt verminderd (Zhang et al., 2014). Calciumgebrek leidt tot een belemmerde wortelgroei en veranderde bladverschijnselen (Ahmad et al., 2015). Bij drastische tekorten zijn er symptomen zoals verminderde celmembraanintegriteit en het verschijnen van bittere pit, bloesemeindrot en tip burn in respectievelijk appel, tomaat en sla.