植物也需要补钙？缺钙让植物“不好活”也“不好吃”

提到钙，你的第一反应是什么？可能是骨骼健康，或者是补钙。的确，人健康生长发育离不开钙。但你可能想不到，钙对植物的正常生长也至关重要，为什么在天气干旱时，西瓜更甜？为什么暴雨来临之前，合欢树会收拢叶片？为什么夜幕低垂，昙花才会绽放？这些都和钙有关。

今天，我们就来聊聊钙和植物那些事儿。

我们人体能感受到外界环境变化，全都依赖于身体内外的感受器，包括舌头上感知味道的感受器，皮肤上的温度感受器和压力感受器，当这些感受器被外界信号触发，就会将信号转化为电信号，通过神经细胞传递给大脑，大脑继而作出相应的反应。

植物应对环境变化，其实也有类似的运作机制。

在之前的诸多研究中都发现，植物在逆境条件下，细胞中的钙离子浓度会发生剧烈且迅速的变化，并且这种变化确实与植物的抗逆能力有关。

早在2009年的时候，波兰科学家多罗塔·科诺普卡-波斯图波尔斯卡（Konopka-Postupolska）就做过一个实验，研究了掌管钙离子进入细胞的膜联蛋白的作用。将拟南芥在短光照条件下培养了4周之后，让拟南芥推迟开花，维持营养生长，再进行干旱处理。

实验开始，这些拟南芥的土壤会逐渐变得干旱，直到完全脱水。结果发现，膜联蛋白缺失突变体（Atann1），在干旱处理后第5天出现枯萎症状；而野生型和膜联蛋白超表达株系依然保持绿色的饱满状态, 这说明膜联蛋白可能在干旱胁迫条件下发挥了作用。

也就是说，植物确实能感受到外界的不利条件，并且把这种信号转化为钙离子浓度的变化。钙离子将信息传递给相应的蛋白质。那么究竟是哪些感受器将外界的信号，转化为细胞内的钙信号呢？

在最新的研究中，来自湖南农业大学的科学家发现，当水分增多时，植物低渗感受器OSCA2.1和OSCA2.2会迅速感知外界丰富的水分，使胞质内钙信号增强，从而作出防御等反应。

实际上，渗透感受器OSCA基因家族非常古老，它们在最早出现在原生生物身上，这些基因对于维持原声生物细胞形状和彭压方面发挥作用。在植物登上陆地之后，面对的是更为复杂的水分环境，土壤中的水分含量时高时低，偶有因为暴雨和洪水带来的水分积聚变化。这就迫使陆生植物发展出应对策略，植物OSCA基因家族的扩张和演化，在植物响应水分变化中扮演了重要角色。

问题来了，虽然植物也具有敏感的感受器，但是它们如何将探知的环境信息传递到相应的细胞那里呢？毕竟在植物体内并没有专门传递信息的神经细胞。这个时候，钙离子就发挥了重要作用。

在植物细胞中，钙离子的流速远比我们想象得要快，可以达到每秒400微米，听起来速度不快。但是植物根系上的细胞通常只有几十微米，也就是说，在1秒钟的时间内，信息已经传递到根系内部了。

那么钙离子又是如何让植物细胞行动起来，让所有细胞严阵以待做好应对极端环境的准备。这就说到一种特殊的蛋白质——钙调素。在细胞中，每条生产线都有特定的钥匙来启动，而钙调素就是一把特殊的钥匙，它可以随着钙离子浓度的变化而变化自己的形态，从而启动不同的细胞生产线。毫不夸张地说，钙调素就像一把万能钥匙，而且还是智能的。

值得注意的是，细胞中钙离子来得快，去的也快。这是因为，高浓度的钙离子会极大干扰细胞的正常工作。所以，在几秒钟的时间内，细胞中的钙离子浓度又会恢复正常。但这个时候，植物已经做好了应对干旱的准备，加班加点生产糖类物质和氨基酸，尽可能保证自己不会因为环境干旱而脱水。

水果甜不甜，居然与钙有关系，这是大家都想不到的事情吧。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：史军

审核：顾垒 首都师范大学生命科学学院副教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

（来源：科普中国-星空计划）