李 雪，王勝男，程江珂

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

干旱脅迫屬于非生物脅迫之一，是嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一。在我國(guó)，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(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失。目前，關(guān)于干旱脅迫的研究主要集中于干旱脅迫對(duì)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(duì)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(yīng)各種非生物和生物脅迫的信號(hào)傳導(dǎo)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著非常重要的作用。從細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能方面來(lái)說(shuō)，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(lái)，維持細(xì)胞膜對(duì)離子的吸收。Ca2+在穩(wěn)定細(xì)胞膜和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)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(xì)胞的質(zhì)膜上存在Ca敏感受體，它會(huì)被胞外的Ca2+激活，從而使胞內(nèi)Ca2+濃度增加。同時(shí)，也會(huì)讓胞外Ca2+和胞內(nèi)Ca信號(hào)通過(guò)一定的特異性聯(lián)系起來(lái)。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(xì)胞內(nèi)的第二信使的身份產(chǎn)生Ca信號(hào)來(lái)應(yīng)對(duì)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(duì)植物體內(nèi)Ca2+含量和分布的影響，以及Ca2+變化的原因，為國(guó)內(nèi)外研究Ca信號(hào)作參考，也為今后研究離子組學(xué)奠定基礎(chǔ)。

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(xì)胞壁中陽(yáng)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(xì)胞壁上分布最多。細(xì)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(guò)Ca2+通道以被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)。為了使細(xì)胞質(zhì)Ca濃度維持在較低水平，細(xì)胞還需要經(jīng)過(guò)一些特定的機(jī)制主動(dòng)地把Ca排到胞外。

1.2 植物體內(nèi)Ca2+的功能

1.2.1 維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性Ca2+可以將植物體內(nèi)細(xì)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(xì)胞膜結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定，從而保證細(xì)胞膜對(duì)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(huì)發(fā)生細(xì)胞質(zhì)向外滲出、選擇吸收能力下降的情況。當(dāng)植物體嚴(yán)重缺Ca時(shí)，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)徹底解體。

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

1.2.3 參與細(xì)胞的信息傳遞當(dāng)植物細(xì)胞接收到某種信號(hào)時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)增大Ca2+的通透性。當(dāng)胞質(zhì)中Ca2+濃度增加到臨界值時(shí)，鈣調(diào)蛋白會(huì)與之結(jié)合，產(chǎn)生Ca-CAM復(fù)合體，激活CAM。這種激活后的CAM還可以使植物體內(nèi)多種關(guān)鍵酶進(jìn)一步激活，包括NAD激酶、Ca-ATP酶等。這些酶會(huì)使細(xì)胞產(chǎn)生和信號(hào)相對(duì)應(yīng)的一系列生理生化反應(yīng)。

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

2 植物體內(nèi)Ca2+含量的測(cè)定方法

想要研究干旱脅迫對(duì)植物體內(nèi)Ca2+的影響，就需要準(zhǔn)確測(cè)量植物細(xì)胞內(nèi)Ca2+的水平。而在細(xì)胞生物學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量的測(cè)定方法有一些要求：(1)在選擇使用Ca2+特異性指示劑時(shí)，要選擇Ca2+專一結(jié)合性強(qiáng)、親和力高的指示劑，這樣可更好地測(cè)定低含量Ca2+；(2)能夠測(cè)量出Ca2+絕對(duì)含量；(3)反應(yīng)Ca2+水平改變的速度要高于細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)引起相關(guān)生理反應(yīng)的速度；(4)Ca2+與指示劑的結(jié)合過(guò)程中，要不影響細(xì)胞內(nèi)正常生理過(guò)程；(5)能輕松進(jìn)入細(xì)胞且在細(xì)胞溶質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散；(6)指示劑不應(yīng)該跨過(guò)內(nèi)膜系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞器，這才能夠測(cè)定細(xì)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(guó)內(nèi)外已有很多定量測(cè)定胞內(nèi)Ca2+含量的方法，主要分為2種，物理測(cè)定法和熒光測(cè)定法。其中，物理方法包括X 射線微區(qū)分析技術(shù)、原子吸收光譜法、離子選擇性微電極技術(shù)、同位素示蹤技術(shù)、核磁共振光譜技術(shù)等。但這些方法有很多不利的影響，有的會(huì)使細(xì)胞死亡，有的不能將游離的Ca2+與結(jié)合Ca2+區(qū)分開，甚至?xí)?yán)重?fù)p傷細(xì)胞。總體而言，很難在不干擾細(xì)胞代謝的情況下定量分析細(xì)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(cè)定法是一類新發(fā)展起來(lái)的Ca2+含量測(cè)定方法，它是利用可以與Ca2+特異結(jié)合的化學(xué)分子，讓它與Ca2+結(jié)合，之后它的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，在相應(yīng)的波長(zhǎng)激發(fā)光下會(huì)出現(xiàn)特定波長(zhǎng)的熒光，熒光的強(qiáng)弱與溶液中的Ca2+含量呈現(xiàn)相關(guān)性。所以，可以利用熒光強(qiáng)度來(lái)反映細(xì)胞中Ca2+含量。陳少良等研究鹽脅迫條件下楊樹組織及細(xì)胞中鉀、Ca、鎂含量變化用的是X射線微區(qū)分析技術(shù)。近年來(lái)，使用較多的一種研究Ca2+含量的方法是焦銻酸鈣沉淀的細(xì)胞化學(xué)方法。

3 干旱脅迫對(duì)植物體內(nèi)Ca2+含量和分布的影響

Ca2+是植物生長(zhǎng)必不可少的元素，因?yàn)镃a2+維持著植物細(xì)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(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育造成的有害影響，從而增強(qiáng)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(huì)讓水分脅迫下紫花苜蓿吸收Ca2+的能力增強(qiáng)，同時(shí)紫花苜蓿的抗旱性也得到增強(qiáng)。適當(dāng)?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(guò)氧化物酶（POD）、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（ASP）3種酶的活性，使這些酶在植物抵御干旱的時(shí)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(hào)的感受、傳遞、響應(yīng)，從而影響參與植物抗旱的酶的活性，以此來(lái)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(huì)逐漸降低，打破細(xì)胞內(nèi)礦質(zhì)元素含量與滲透壓的平衡狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)使用水楊酸讓Ca2+含量增加且提高它的向上運(yùn)輸。相關(guān)研究表明，在干旱脅迫下施加外源Ca，可以促進(jìn)花生的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，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(qiáng)干旱后復(fù)水過(guò)程中花生的恢復(fù)能力，降低干旱對(duì)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(duì)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(xì)胞的Ca2+大部分分布在細(xì)胞壁和細(xì)胞核中；而當(dāng)根尖細(xì)胞處于干旱脅迫下，其Ca2+會(huì)充滿細(xì)胞質(zhì)，增加外源Ca2+會(huì)讓根尖細(xì)胞質(zhì)中的Ca2+含量提高，添加Ca2+螯合劑會(huì)導(dǎo)致根尖細(xì)胞質(zhì)中Ca2+含量降低。在干旱脅迫條件下，幼苗根尖細(xì)胞會(huì)從細(xì)胞外、細(xì)胞壁以及細(xì)胞核等Ca庫(kù)通過(guò)Ca2+通道向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+，從而使Ca2+分布發(fā)生改變，形成電位差，產(chǎn)生Ca信號(hào)。

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

4 展望

Ca2+作為植物細(xì)胞中的第二信使，與植物抵抗各種逆境密切相關(guān)。在植物細(xì)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(xì)胞質(zhì)和細(xì)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(shí)，會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生Ca信號(hào)。

液泡是貯藏Ca2+最豐富的地方，可以說(shuō)是細(xì)胞中最大的Ca2+庫(kù)。在不良環(huán)境刺激Ca2+通道時(shí)，液泡膜中的Ca2+會(huì)釋放出來(lái)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。除此之外，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+含量應(yīng)低于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)體和線粒體。在干旱脅迫下，研究細(xì)胞中Ca2+含量的變化、影響因素，在離子水平上揭示其機(jī)制，有助于深入研究植物的抗旱機(jī)理，也可以提高植株對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)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(guò)程中，適當(dāng)運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)或基因調(diào)控手段將會(huì)是生物學(xué)的又一突破，但當(dāng)下對(duì)于干旱脅迫下Ca2+的研究還很少，在生產(chǎn)過(guò)程中，要使用方便、直接、有效的方法來(lái)抵御干旱，還需進(jìn)一步的研究。深入研究Ca2+響應(yīng)逆境脅迫機(jī)制，還可以為國(guó)內(nèi)外研究Ca信號(hào)作參考，同時(shí)也為新興的離子組學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。