干旱胁迫对植物体内钙离子含量和分布的影响研究进展

李 雪，王胜男，程江珂

（攀枝花学院，四川 攀枝花 617000）

干旱胁迫属于非生物胁迫之一，是严重影响植物生长发育和农业生产的自然灾害之一。在我国，干旱不同程度地危害着1/2以上种植面积的农作物，造成农作物产量下降20%左右，这给国民经济造成了巨大的损失。目前，关于干旱胁迫的研究主要集中于干旱胁迫对植物光合系统、抗氧化物酶系统以及一些内源激素的影响方面，而对植物体内矿质元素，特别是Ca元素的研究还很少。Ca2+是植物体内的第二信使，它广泛参与植物响应各种非生物和生物胁迫的信号传导，在植物生长发育过程中起着非常重要的作用。从细胞结构和生理功能方面来说，Ca2+可以将生物膜表面的硝酸盐、磷酸酯与蛋白质的羧基连接起来，维持细胞膜对离子的吸收。Ca2+在稳定细胞膜和细胞壁结构、调节生长发育和参与胞内稳态等方面均有着重要意义。研究发现，拟南芥保卫细胞的质膜上存在Ca敏感受体，它会被胞外的Ca2+激活，从而使胞内Ca2+浓度增加。同时，也会让胞外Ca2+和胞内Ca信号通过一定的特异性联系起来。这证明了胞外Ca2+有着第一信使的作用。但大多数研究表明，Ca2+以细胞内的第二信使的身份产生Ca信号来应对干旱、冷害等各种逆境胁迫。鉴于此，综述Ca2+在植物体内的含量、分布、功能及干旱胁迫对植物体内Ca2+含量和分布的影响，以及Ca2+变化的原因，为国内外研究Ca信号作参考，也为今后研究离子组学奠定基础。

1 植物体内Ca2+的概况

1.1 植物体内Ca2+的含量与分布

不同的植物种类、部位和器官，Ca的含量也不相同。一般情况下，双子叶植物的细胞壁中阳离子交换量较大，所以Ca含量也较高，而单子叶植物Ca含量则相反。总体而言，植物体内Ca含量为0.1%～0.5%，在细胞壁上分布最多。细胞内的Ca主要在液泡中分布，胞质中含量比较少。

Ca通过Ca2+通道以被动扩散的方式进入植物细胞内。为了使细胞质Ca浓度维持在较低水平，细胞还需要经过一些特定的机制主动地把Ca排到胞外。

1.2 植物体内Ca2+的功能

1.2.1 维持细胞膜的稳定性Ca2+可以将植物体内细胞膜表面的磷酸酯、硝酸盐与蛋白质的羧基连接在一起，使细胞膜结构得到稳定，从而保证细胞膜对离子吸收的稳定性。植物体内缺Ca，或原生质膜上的Ca2+被重金属离子或质子取代，则会发生细胞质向外渗出、选择吸收能力下降的情况。当植物体严重缺Ca时，细胞膜结构彻底解体。

1.2.2 维持细胞壁的稳固植物细胞壁中含有大量与Ca2+结合的位点，多数Ca2+与植物细胞壁中的果胶质结合在一起。这样不仅能够稳定细胞壁的结构，还可以调节膜的透性和有关的生理生化过程。研究表明，在苹果果实的贮藏组织中，有90%的Ca都在细胞壁上结合。缺Ca会阻碍细胞壁的形成，并影响根尖和茎尖等分生组织的细胞分裂。同时，缺Ca会破坏原生质体膜，植物细胞容易遭受病原菌的感染。

1.2.3 参与细胞的信息传递当植物细胞接收到某种信号时，细胞膜会增大Ca2+的通透性。当胞质中Ca2+浓度增加到临界值时，钙调蛋白会与之结合，产生Ca-CAM复合体，激活CAM。这种激活后的CAM还可以使植物体内多种关键酶进一步激活，包括NAD激酶、Ca-ATP酶等。这些酶会使细胞产生和信号相对应的一系列生理生化反应。

1.2.4 影响果实品质Ca处理可明显提高果实的单粒质量、可溶性固形物及花青素含量，并降低果实硬度和酸度。成熟果实中Ca含量较高时，可以减缓在贮藏过程中出现的腐烂现象，延长贮藏时间，提高保藏后的水果品质。

2 植物体内Ca2+含量的测定方法

想要研究干旱胁迫对植物体内Ca2+的影响，就需要准确测量植物细胞内Ca2+的水平。而在细胞生物学研究领域，对细胞内Ca2+含量的测定方法有一些要求：(1)在选择使用Ca2+特异性指示剂时，要选择Ca2+专一结合性强、亲和力高的指示剂，这样可更好地测定低含量Ca2+；(2)能够测量出Ca2+绝对含量；(3)反应Ca2+水平改变的速度要高于细胞内Ca2+信号引起相关生理反应的速度；(4)Ca2+与指示剂的结合过程中，要不影响细胞内正常生理过程；(5)能轻松进入细胞且在细胞溶质内扩散；(6)指示剂不应该跨过内膜系统进入细胞器，这才能够测定细胞溶质部分Ca2+含量；(7)能够反映胞内Ca2+分布情况。

目前，国内外已有很多定量测定胞内Ca2+含量的方法，主要分为2种，物理测定法和荧光测定法。其中，物理方法包括X 射线微区分析技术、原子吸收光谱法、离子选择性微电极技术、同位素示踪技术、核磁共振光谱技术等。但这些方法有很多不利的影响，有的会使细胞死亡，有的不能将游离的Ca2+与结合Ca2+区分开，甚至会严重损伤细胞。总体而言，很难在不干扰细胞代谢的情况下定量分析细胞内游离Ca2+含量及其变化。因此，在Ca2+研究中很少使用这些方法。荧光测定法是一类新发展起来的Ca2+含量测定方法，它是利用可以与Ca2+特异结合的化学分子，让它与Ca2+结合，之后它的光学性质发生改变，在相应的波长激发光下会出现特定波长的荧光，荧光的强弱与溶液中的Ca2+含量呈现相关性。所以，可以利用荧光强度来反映细胞中Ca2+含量。陈少良等研究盐胁迫条件下杨树组织及细胞中钾、Ca、镁含量变化用的是X射线微区分析技术。近年来，使用较多的一种研究Ca2+含量的方法是焦锑酸钙沉淀的细胞化学方法。

3 干旱胁迫对植物体内Ca2+含量和分布的影响

Ca2+是植物生长必不可少的元素，因为Ca2+维持着植物细胞膜的稳定性，它还能够调节植物体内的渗透压，使植物能够抵抗不良环境。在干旱胁迫下，a2+的吸收和堆积能减少干旱对植物生长发育造成的有害影响，从而增强植物体的抗旱能力。研究发现，在紫花苜蓿外施加脱落酸，会让水分胁迫下紫花苜蓿吸收Ca2+的能力增强，同时紫花苜蓿的抗旱性也得到增强。适当的Ca处理能够明显提高植物体内超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（ASP）3种酶的活性，使这些酶在植物抵御干旱的时候起到重要作用。

Ca2+作为植物体内的第二信使，在很大程度上参与了胁迫信号的感受、传递、响应，从而影响参与植物抗旱的酶的活性，以此来提高植物的抗旱性。在干旱胁迫不断加剧的情况下，植物体内Ca2+含量会逐渐降低，打破细胞内矿质元素含量与渗透压的平衡状态。可以通过使用水杨酸让Ca2+含量增加且提高它的向上运输。相关研究表明，在干旱胁迫下施加外源Ca，可以促进花生的营养生长，增加其叶片中叶绿素含量、净光合速率与根系活力，还可以增强干旱后复水过程中花生的恢复能力，降低干旱对花生的损害，使花生产量提高。由此可见，施Ca可以提高植物对Ca2+的吸收，而植物体内Ca2+水平的增加可以让作物的品质得到改善。

在干旱胁迫下植株幼苗根尖Ca2+分布的位置发生了改变，形成Ca2+流。在正常水分条件下，根尖细胞的Ca2+大部分分布在细胞壁和细胞核中；而当根尖细胞处于干旱胁迫下，其Ca2+会充满细胞质，增加外源Ca2+会让根尖细胞质中的Ca2+含量提高，添加Ca2+螯合剂会导致根尖细胞质中Ca2+含量降低。在干旱胁迫条件下，幼苗根尖细胞会从细胞外、细胞壁以及细胞核等Ca库通过Ca2+通道向细胞质转运Ca2+，从而使Ca2+分布发生改变，形成电位差，产生Ca信号。

在干旱胁迫条件下，植物体内会发生各种生理变化，根系对Ca2+的吸收受到抑制，主要原因是根系从生长环境中吸收Ca2+的能力下降，这会造成植株体内缺Ca2+，进而产生各种不良反应。干旱胁迫还会导致钾离子和氯离子大量流失而Ca2+吸收增加，对植物的保卫细胞产生影响。在保卫细胞的气孔开闭现象中，以及植物细胞吸水体积膨胀压力中，Ca2+的移动起着至关重要的作用。在郑青松等研究的水分胁迫对油菜幼苗矿质离子含量的影响中发现，当Ca2+含量明显下降时，植株生长会受到抑制。所以，Ca2+的吸收对植物是不可或缺的，重新构建植物体内Ca2+分布，用来抵御干旱胁迫伤害是植物抗旱性的一个重要表现。

4 展望

Ca2+作为植物细胞中的第二信使，与植物抵抗各种逆境密切相关。在植物细胞壁、内质网膜以及液泡膜上都存在跨膜的Ca2+梯度变化，植物体内Ca2+含量也不尽相同，Ca2+在细胞质和细胞核中的分布也不均匀。Ca2+的含量和分布在受到外界刺激时，会发生变化，产生Ca信号。

液泡是贮藏Ca2+最丰富的地方，可以说是细胞中最大的Ca2+库。在不良环境刺激Ca2+通道时，液泡膜中的Ca2+会释放出来进入细胞质。除此之外，细胞质内的Ca2+含量应低于内质网、质体和线粒体。在干旱胁迫下，研究细胞中Ca2+含量的变化、影响因素，在离子水平上揭示其机制，有助于深入研究植物的抗旱机理，也可以提高植株对逆境胁迫的适应性。

干旱胁迫是常见的逆境胁迫之一，而在这种胁迫下，植物体内的Ca2+含量发生了变化，但一系列的研究表明，施用一定浓度的Ca2+和一些外源激素在一定程度上可以提高植物体内Ca2+含量，帮助植物抵抗干旱的伤害，还可以提高作物的品质。如果在研究Ca2+的过程中，适当运用分子生物学技术或基因调控手段将会是生物学的又一突破，但当下对于干旱胁迫下Ca2+的研究还很少，在生产过程中，要使用方便、直接、有效的方法来抵御干旱，还需进一步的研究。深入研究Ca2+响应逆境胁迫机制，还可以为国内外研究Ca信号作参考，同时也为新兴的离子组学研究奠定基础。