Brauchen Pflanzen auch Kalziumpräparate? Kalziummangel macht Pflanzen „überlebensschwierig“ und „ungenießbar“

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Was ist Ihre erste Reaktion, wenn Sie Kalzium erwähnen? Es könnte an der Knochengesundheit oder an einer Kalziumergänzung liegen. Tatsächlich ist Kalzium für das gesunde Wachstum und die Entwicklung des Menschen unerlässlich. Aber Sie denken vielleicht nicht, dass Kalzium auch für das normale Wachstum von Pflanzen wichtig ist. Warum sind Wassermelonen süßer, wenn das Wetter trocken ist? Warum falten Albizia-Julibrissin-Bäume vor einem Regensturm ihre Blätter? Warum blüht Epiphyllum nur bei Einbruch der Nacht? Diese hängen alle mit Kalzium zusammen.

Lassen Sie uns heute über Kalzium und Pflanzen sprechen.

Unser menschlicher Körper kann Veränderungen in der äußeren Umgebung wahrnehmen. Dies hängt von Rezeptoren innerhalb und außerhalb des Körpers ab, darunter Geschmacksrezeptoren auf der Zunge, Temperaturrezeptoren und Druckrezeptoren auf der Haut. Wenn diese Rezeptoren durch externe Signale ausgelöst werden, wandeln sie die Signale in elektrische Signale um und leiten sie über Nervenzellen an das Gehirn weiter, das dann entsprechend reagiert.

Pflanzen verfügen tatsächlich über ähnliche Mechanismen als Reaktion auf Umweltveränderungen.

Viele frühere Studien haben ergeben, dass sich die Kalziumionenkonzentration in den Zellen von Pflanzen unter widrigen Bedingungen dramatisch und schnell ändert und dass diese Änderung tatsächlich mit der Fähigkeit der Pflanze zusammenhängt, Stress zu widerstehen.

Bereits 2009 führte die polnische Wissenschaftlerin Dorota Konopka-Postupolska ein Experiment durch, um die Rolle membrangebundener Proteine ​​zu untersuchen, die den Eintritt von Kalziumionen in Zellen steuern. Nachdem Arabidopsis vier Wochen lang unter Bedingungen mit wenig Licht kultiviert worden war, wurde die Blüte der Arabidopsis hinausgezögert, das vegetative Wachstum aufrechterhalten und anschließend einer Dürrebehandlung unterzogen.

Zu Beginn des Experiments wurde der Boden, in dem die Arabidopsis-Pflanzen wuchsen, allmählich trockener, bis er vollständig dehydriert war. Die Ergebnisse zeigten, dass der Annexin-defiziente Mutant (Atann1) am 5. Tag nach der Dürrebehandlung Welkesymptome zeigte; während der Wildtyp und die Annexin-überexprimierenden Stämme grün und prall blieben, was darauf hindeutet, dass Annexin unter Dürrestressbedingungen eine Rolle spielen könnte.

Mit anderen Worten: Pflanzen können tatsächlich widrige äußere Bedingungen wahrnehmen und dieses Signal in Veränderungen der Kalziumionenkonzentration umwandeln. Calciumionen übermitteln Informationen an die entsprechenden Proteine. Welche Rezeptoren wandeln also externe Signale in Kalziumsignale innerhalb der Zellen um?

In der neuesten Forschung haben Wissenschaftler der Hunan Agricultural University herausgefunden, dass die hypoosmotischen Rezeptoren OSCA2.1 und OSCA2.2 der Pflanze bei steigendem Wassergehalt schnell das reichlich vorhandene Wasser in der Außenwelt erkennen, das Kalziumsignal im Zytoplasma verstärken und somit mit einer Abwehrreaktion reagieren.

Tatsächlich ist die Osmorezeptor-OSCA-Genfamilie sehr alt. Sie traten erstmals bei Protisten auf und spielen eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Zellform und des Zelldrucks von Protisten. Nachdem die Pflanzen an Land kamen, waren sie mit einer komplexeren Wasserumgebung konfrontiert. Der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens war mal hoch, mal niedrig und es kam gelegentlich zu Veränderungen der Feuchtigkeitsspeicherung durch starke Regenfälle und Überschwemmungen. Dies zwang Landpflanzen dazu, Bewältigungsstrategien zu entwickeln, und die Ausbreitung und Evolution der pflanzlichen OSCA-Genfamilie spielte eine wichtige Rolle bei der Reaktion der Pflanzen auf Wasserveränderungen.

Die Frage ist: Obwohl Pflanzen auch empfindliche Rezeptoren haben, wie übermitteln sie die erfassten Umweltinformationen an die entsprechenden Zellen? Schließlich gibt es in Pflanzen keine spezialisierten Nervenzellen, die Informationen übermitteln. Dabei spielen Calciumionen eine wichtige Rolle.

In Pflanzenzellen ist die Flussrate von Calciumionen viel schneller als wir dachten und erreicht 400 Mikrometer pro Sekunde, was nicht schnell klingt. Allerdings sind die Zellen an Pflanzenwurzeln normalerweise nur einige zehn Mikrometer groß, was bedeutet, dass die Informationen innerhalb von 1 Sekunde ins Innere des Wurzelsystems übertragen werden.

Wie also veranlassen Calciumionen Pflanzenzellen zum Handeln und bereiten alle Zellen auf extreme Umgebungen vor? Dies bringt uns zu einem besonderen Protein – Calmodulin. In Zellen verfügt jede Produktionslinie über einen bestimmten Schlüssel, um sie zu starten, und Calmodulin ist ein spezieller Schlüssel, der seine Form ändern kann, wenn sich die Konzentration der Calciumionen ändert, und dadurch unterschiedliche Zellproduktionslinien startet. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass Calmodulin wie ein Generalschlüssel ist, und zwar ein intelligenter.

Es ist erwähnenswert, dass Kalziumionen in Zellen schnell kommen und gehen. Dies liegt daran, dass hohe Konzentrationen von Kalziumionen die normale Funktion der Zellen erheblich beeinträchtigen können. Innerhalb weniger Sekunden normalisiert sich die Calciumionenkonzentration in der Zelle. Doch zu diesem Zeitpunkt haben sich die Pflanzen bereits auf die Dürre vorbereitet und arbeiten auf Hochtouren, um Zucker und Aminosäuren zu produzieren und so sicherzustellen, dass sie aufgrund der Trockenheit nicht austrocknen.

Ob eine Frucht süß ist oder nicht, hängt tatsächlich mit dem Kalzium zusammen. Daran hätte niemand gedacht.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird. Autor: Shi Jun

Gutachter: Gu Lei, Außerordentlicher Professor, School of Life Sciences, Capital Normal University

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.