钙吸收及其调节

1、苹果根系钙素吸收特性苹果根系钙素吸收特性及其激素调节及其激素调节 目目 次次w 传统钙观点的缺陷传统钙观点的缺陷w 湖北海棠根系钙吸收特性湖北海棠根系钙吸收特性w 信号转导抑制剂对根系钙吸收的影响信号转导抑制剂对根系钙吸收的影响w 生长素对根系钙素吸收的调节生长素对根系钙素吸收的调节w CaCa2+2+与与CaCa2+2+-ATPase-ATPase的亚细胞定位的亚细胞定位w 生长素促进根系吸收钙可能机制生长素促进根系吸收钙可能机制w7 7、植物钙素吸收和运转（概要）植物钙素吸收和运转（概要） 传统钙观点的缺陷传统钙观点的缺陷w 钙对果实的影响远大于钙对果实的影响远大于N N、P P、K K、

2、MgMg等元素。等元素。钙营养失调会引起多种生理病害，造成苹果品钙营养失调会引起多种生理病害，造成苹果品质下降，使果实表现出各种各样的缺钙症，质下降，使果实表现出各种各样的缺钙症，如如苦豆病、水心病、木栓斑点病、虎皮病苦豆病、水心病、木栓斑点病、虎皮病等。等。w 但多数情况下但多数情况下土壤并不缺钙土壤并不缺钙，其可溶态含，其可溶态含量远高于量远高于P P、K K、MgMg等元素，果实缺钙也不意味等元素，果实缺钙也不意味土壤钙素不足，什么原因造成果实缺钙呢？土壤钙素不足，什么原因造成果实缺钙呢？w 一种元素到达靶器官需经过吸收、运输等一种元素到达靶器官需经过吸收、运输等环节，吸收是第一步，也是

3、关键的一步环节，吸收是第一步，也是关键的一步。 传统观念认为传统观念认为CaCa2+2+的吸收运输是一个被动过的吸收运输是一个被动过程，因为同位素示踪表明，众多呼吸抑制剂能够程，因为同位素示踪表明，众多呼吸抑制剂能够抑制抑制P P、K K进入细胞原生质体，而对进入细胞原生质体，而对CaCa2+2+没有明显没有明显影响；并且蒸腾速率明显影响钙素的吸收量。影响；并且蒸腾速率明显影响钙素的吸收量。 实际上传统观念存在如下三个问题：实际上传统观念存在如下三个问题：w 1 1）试验以）试验以4545CaCa放射性强度反应放射性强度反应CaCa2+2+吸收程度，吸收程度，这会这会因离子交换产生吸收假象因离

4、子交换产生吸收假象。w 2 2）抑制剂能够抑制）抑制剂能够抑制P P、K K进入细胞原生质体，进入细胞原生质体，因为因为P P、K K离子泵是内向性的，而离子泵是内向性的，而CaCa2+2+是外向性的，是外向性的，抑制剂会阻止抑制剂会阻止CaCa2+2+流出细胞，不仅流出细胞，不仅CaCa2+2+进入细胞进入细胞不会受到抑制，还有可能出现不会受到抑制，还有可能出现CaCa2+2+吸收被抑制剂吸收被抑制剂促进的假象。促进的假象。w 3 3）将）将细胞细胞CaCa2+2+吸收的吸收的试验结果简单推广为试验结果简单推广为根系根系CaCa2+2+吸收。吸收。细胞离子吸收与转运细胞离子吸收与转运Ca2+

5、 液泡液泡 Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+H+H+质质 膜膜CaCa2+2+通道通道 CaCa2+2+-ATPase Ca-ATPase Ca2+2+/H/H+ +交换器交换器液泡膜液泡膜细胞壁细胞壁 实际上细胞的实际上细胞的CaCa2+2+吸收、根系的吸收、根系的CaCa2+2+吸收与整吸收与整个植株的个植株的CaCa2+2+吸收不同。事实上吸收不同。事实上 FaustFaust等人已经等人已经观察到苹果观察到苹果CaCa2+2+吸收需要大量光合产物，认为吸收需要大量光合产物，认为从从整体上看整体上看CaCa2+2+吸收是一个需能过程。吸收是一个需能过程。只有整个植

6、株只有整个植株CaCa2+2+吸收中的吸收中的导管运输导管运输才是比较典才是比较典型的被动过程。型的被动过程。根系根系CaCa2+2+吸收吸收是整个植株Ca2+吸收的关键，其特性需要进一步探明。根系离子吸收根系离子吸收- 离子横向穿根运输过程离子横向穿根运输过程w根系离子吸收的三条途径根系离子吸收的三条途径单纯共质体途径：单纯共质体途径：沿胞间连丝扩散（速度很慢）沿胞间连丝扩散（速度很慢）单纯质外体途径：单纯质外体途径：沿胞间隙扩散，主要存在于凯氏带尚沿胞间隙扩散，主要存在于凯氏带尚未形成的根系的幼嫩部分，速度很快，但因导管尚未未形成的根系的幼嫩部分，速度很快，但因导管尚未发育完善，该区转运作

7、用最小，吸收的离子会在此积发育完善，该区转运作用最小，吸收的离子会在此积聚。聚。共质体与质外体交替转运：共质体与质外体交替转运：经过进出细胞过程，需要跨经过进出细胞过程，需要跨越质膜屏障（如内皮层细胞质膜，木质薄壁细胞与导越质膜屏障（如内皮层细胞质膜，木质薄壁细胞与导管之间的膜间隔），需要离子泵参与。管之间的膜间隔），需要离子泵参与。 离子横向穿根运输过程离子横向穿根运输过程Ca2+导导管管 质外体运输途径质外体运输途径 共质体运输途径共质体运输途径 凯氏带凯氏带Ca2+Ca2+ 细胞壁 表皮表皮 皮层皮层 内皮层内皮层 木质薄壁细胞木质薄壁细胞 导管导管 近年来植物钙素研究主要集中在细胞近年

8、来植物钙素研究主要集中在细胞和分子水平，但整株水平上的钙素吸收、和分子水平，但整株水平上的钙素吸收、运转和分配对于钙素功能的实现也非常重运转和分配对于钙素功能的实现也非常重要。要。 植物出现缺钙症状主要是钙素的吸收植物出现缺钙症状主要是钙素的吸收运转不畅造成的。运转不畅造成的。 湖北海棠根系钙吸收特性湖北海棠根系钙吸收特性w1 1、根系钙吸收的动力学特征、根系钙吸收的动力学特征在供钙浓度0.020.5 mmol/L范围内，钙吸收速率与钙浓度的关系，符合米氏酶动力学模型。离体根：I=1.18C/(30.6 + C)图1 低 浓度下根系钙吸收动力学特征Fig.1 Kinetics of calcu

9、im upstake under lowconcentration00.30.60.91.200.20.40.6钙浓度（u m o l /dm3) Ca2+ concentration钙吸收速率(um/(dm2.h)Ca2+ upstake rate连体根离体根2 2、代谢抑制剂对根系钙素吸收的影响、代谢抑制剂对根系钙素吸收的影响w表1 2,4-二硝基酚对连体根根系钙素吸收速率的影响wTable 1 Effect of 2,4-DNP on Ca2+ absorption rate of apple intact rootsw供钙浓度 吸钙速率 抑制率wCalcium Ca2+ absorpt

10、ion rate Inhibitionw Concentration (mol/(dm2h) rate (%)w(mmol/L) CK 2,4-DNPw 0.2 1.01 0.038 96.2w 2.0 1.67 0.29 82.63 3、温度对离体根钙吸收动力学的影响、温度对离体根钙吸收动力学的影响低供钙浓度下低供钙浓度下1515 C20 C20 C C时离体根时离体根 值和钙吸收值和钙吸收速率最高。速率最高。w表2 温度对低供钙浓度下离体根钙素吸收动力学的影响wTable 2 Effect of temperature on kinetics of Ca2+ uptake in excis

11、ed roots under lower Ca2+ concentrationwTemperature (C) 10 15 20 25 30 35wKm (mol/dm3) 33.8 30.8 30.5 31.8 34.6 35.9wImax (mol/(dm2h) 1.15 1.36 1.37 1.20 1.12 1.01w (mm/h) 3.40 4.41 4.49 3.77 3.23 2.814 4、CaCa2+2+-ATPase-ATPase活性与钙吸收相关活性与钙吸收相关w1 1）在一定范围内，钙吸收速率均随）在一定范围内，钙吸收速率均随CaCa2+2+-ATPase-ATPase活

12、性升活性升高而升高，它们存在显著正相关关系高而升高，它们存在显著正相关关系：wy = 0.012 x - 0.045, 相关系数R = 0.9667。w2）质膜 Ca2+-ATPase抑制剂EB处理后根系与钙离子的亲和性及根系钙素吸收速率均显著下降：wTreatment Km(mol/dm3) Imax (mol/dm2.h) (mm/h)wEB 39.5 0.83 2.1wCK 30.8 1.25 4.06 5 5、不同根类钙素吸收动力学参数、不同根类钙素吸收动力学参数以根系表面积为单位计算的吸收根和延长根的钙吸收能以根系表面积为单位计算的吸收根和延长根的钙吸收能力相近，而力相近，而木质根木

13、质根 值为吸收根和延长根的值为吸收根和延长根的54%左右左右，钙吸收能力较低。钙吸收能力较低。w根类 吸收根 延长根 木质根wRoot type Absorbing roots Extensive roots Ligniferous rootwKm (mol/dm3) 33.1 33.6 38.8wImax w(mol/(dm2h) 1.35 1.38 0.86w (mm/h) 4.08 4.11 2.22小结：小结： 从从“根系钙吸收的动力学特征根系钙吸收的动力学特征”、 “ “代谢代谢抑制剂对根系钙素吸收的影响抑制剂对根系钙素吸收的影响”、“温度对离温度对离体根钙吸收的影响体根钙吸收的影响

14、”、“CaCa2+2+-ATPase-ATPase活性与钙活性与钙吸收的关系吸收的关系”这几个方面可以看出，低供钙浓这几个方面可以看出，低供钙浓度（度（0.020.5 0.020.5 mmol/Lmmol/L）范围内，范围内，根系钙离子吸根系钙离子吸收受代谢控制，是主动过程。收受代谢控制，是主动过程。此外，尽管钙吸收一般仅局限于幼根，但此外，尽管钙吸收一般仅局限于幼根，但木质根木质根也有一定的吸钙能力也有一定的吸钙能力，而且它在整个根系中占，而且它在整个根系中占很大比例，所以，木质根对钙吸收的贡献不容很大比例，所以，木质根对钙吸收的贡献不容忽视。忽视。根系在根系在15201520 C C吸收钙

15、素的能力最强吸收钙素的能力最强，这个温度，这个温度与初春苹果果实吸收钙的高峰时的温度相近；与初春苹果果实吸收钙的高峰时的温度相近；晚秋地温下降，根据根系吸钙对温度的要求，晚秋地温下降，根据根系吸钙对温度的要求，秋季也应该是促进钙吸收的重要时期秋季也应该是促进钙吸收的重要时期。 信号转导抑制剂对根系钙吸收的影响信号转导抑制剂对根系钙吸收的影响图3 .1 低 供钙条件下钙离子通道抑制剂对根系钙吸收的影响Fig.3.1 Effect of Ca2+ channelinhibitor on Ca2+ uptake under lowconcentrationVer:verapamil Nif:nife

16、dipineCK: control00.40.81.21.6VerNifCKCa2+ channel inhibitorCa2+ uptakerate(umol/(dm2.h)Intact roots1 1、钙离子通道抑钙离子通道抑制剂制剂异博定和尼异博定和尼福地平处理后，福地平处理后，根系钙吸收能力根系钙吸收能力明显下降。明显下降。2 2、阴离子通道抑制剂抑制根系钙吸收、阴离子通道抑制剂抑制根系钙吸收图3 .2 低 供钙条件下阴离子通道抑制剂对根系钙吸收的影响Fig.3.2 Effect of anion-channelblocker on Ca2+ uptake under lowconc

17、entration00.511.59-ACProbDIDSCKanion-channel blockersCa2+ uptakerate(umol/(dm2.h)Intact roots3 3、钙调素抑制剂、钙调素抑制剂CPZCPZ和和TFPTFP均削弱了根系吸收钙均削弱了根系吸收钙素的能力素的能力图3 .3 低 供钙条件下钙调素抑制剂对根系钙吸收的影响Fig.3.3 Effect of CaM inhibitoron Ca2+ uptake under lowconcentration00.40.81.21.6CPZTFPCKCaM inhibitorCa2+ uptake rate(umo

18、l/(dm2+.h)Intact roots4 4、蛋白激酶抑制剂、蛋白激酶抑制剂QueQue促进根系钙素吸收，蛋白促进根系钙素吸收，蛋白磷酸酶抑制剂磷酸酶抑制剂PAOPAO和和VanVan抑制钙吸收抑制钙吸收图3 .4 低供钙条件下蛋白磷酸化抑制剂对根系钙吸收的影响Fig.3.4 Effect of prpteinphosphorylation inhibitor on Ca2+uptake under low concentration00.40.81.21.6QuePAOVanCKProtein phosphorylation inhibitorCa2+ uptake rate(umol

19、/(dm2+.h)Intact roots 生长素对根系钙素吸收的调节生长素对根系钙素吸收的调节1 1、IBAIBA促进苹果根系的钙素吸收促进苹果根系的钙素吸收w表4.1 IBA对盆栽苹果根叶钙含量的影响wTable 4.1 The effect of IBA on the content of Ca2+ in applew处理后天数 根系钙含量（mg/gDW） 叶片钙含量（mg/gDW） wDays after Ca2+content in roots Ca2+content in leaves wTreatment IBA CK IBA CK w 30 9.460.70 8.060.61

20、12.080.75 13.470.80 w 90 9.820.71 8.430.64 15.981.02 13.860.83 w表4.2 IBA对实生苗根系钙素吸收动力学参数的影响wTable 4.2 Effect of IBA on kinetics of Ca2+ uptake in apple rootswIBA Km value Imax value value Treatment (mol/dm3) (mol/dm2.h) (mm/h)wTreating by roots 27.8 1.38 4.96wTreating by leaves 30.1 1.31 4.35wControl

21、 30.6 1.20 3.922 2、CaCa2+2+泵和离子通道抑制剂对泵和离子通道抑制剂对IBAIBA作用效果的影响作用效果的影响图5 .1 钙 A T P酶 及 离子通道抑制剂对I B A 作用效果的影响Fig.5.1 Effect of inhibitor of Ca2+-ATPase and ion channel onthe function of IBA to Ca2+ uptake(100 umol/L抑制剂与2 0 m g/L IBA共 存 ）00.40.81.21.6CKH2O+IBAEB+IBAVer+IBANif+IBA9-AC+IBAProb+IBADIDS+IBAI

22、nhibitorCa2+ uptake rate(umol/(dm2.h)0.2mmol/L Ca3 3、CaMCaM和蛋白磷酸化抑制剂对和蛋白磷酸化抑制剂对IBAIBA作用效果的影响作用效果的影响图5 .3 钙 调素和蛋白磷酸化抑制剂对I B A 作用效果的影响Fig.5.3 Effect of inhibitor of phosphorylationand CaM on the function of IBA to Ca2+ uptake(100 umol/L抑制剂与2 0 m g/L IBA共 存 ）00.40.81.21.6CKH2O+IBA CPZ+IBA TFP+IBA PAO+I

23、BA Van+IBA Que+IBACa2+ uptake rate(umol/(dm2.h)Inhibitor0.2mmol/L Ca CaCa2+2+与与CaCa2+2+-ATPase-ATPase的亚细胞定位的亚细胞定位1 1、钙离子定位、钙离子定位 钙离子主要分布于钙离子主要分布于液泡膜及导管内缘液泡膜及导管内缘，IBAIBA处理后细胞溶质有大量钙离子分布，液泡膜处理后细胞溶质有大量钙离子分布，液泡膜附近与导管内缘更多，正在形成的导管腔也有钙附近与导管内缘更多，正在形成的导管腔也有钙离子，说明离子，说明IBA IBA 处理有利于钙离子进入细胞和导处理有利于钙离子进入细胞和导管。管。 I

24、BA IBA处理后，胞间连丝处亦有钙离子，两导处理后，胞间连丝处亦有钙离子，两导管相连处及细胞相连处也有黑色物质沉积，说明管相连处及细胞相连处也有黑色物质沉积，说明IBA IBA 处理有利于钙离子跨细胞运输。处理有利于钙离子跨细胞运输。2 2、Ca2+-ATPaseCa2+-ATPase定位定位w 在质膜、细胞溶质、细胞核、核膜、液泡膜及线在质膜、细胞溶质、细胞核、核膜、液泡膜及线粒体上，导管内缘、导管之间的隔膜、导管与薄壁细粒体上，导管内缘、导管之间的隔膜、导管与薄壁细胞之间，以及正在形成的导管和木质薄壁细胞内质网胞之间，以及正在形成的导管和木质薄壁细胞内质网及细胞溶质中均有及细胞溶质中均有

25、Ca2+-ATPaseCa2+-ATPase活性，其中活性，其中质膜和导质膜和导管内缘管内缘Ca2+-ATPaseCa2+-ATPase活性比较高活性比较高，而且，而且Ca2+-ATPaseCa2+-ATPase活活性在细胞之间及细胞质膜不同部位性在细胞之间及细胞质膜不同部位分布很不均匀性分布很不均匀性，这可能与钙离子运输的方向性有一定关系。这可能与钙离子运输的方向性有一定关系。w 在高钙溶液（在高钙溶液（400 400 g/gg/g）中培养的根系，细胞发中培养的根系，细胞发生质壁分离，在细胞质膜上及质膜与细胞壁之间的空生质壁分离，在细胞质膜上及质膜与细胞壁之间的空腔有腔有Ca2+-ATPas

26、eCa2+-ATPase的反应产物。的反应产物。 IBA IBA处理后质膜、导管内缘、液泡膜、细处理后质膜、导管内缘、液泡膜、细胞溶质、细胞核、胞间隙、导管之间的隔膜、胞溶质、细胞核、胞间隙、导管之间的隔膜、导管与薄壁细胞之间导管与薄壁细胞之间Ca2+-ATPaseCa2+-ATPase活性均有提活性均有提高，其中质膜高，其中质膜Ca2+-ATPaseCa2+-ATPase活性提高最显著，活性提高最显著，导管内缘、胞间隙及导管与薄壁细胞之间的导管内缘、胞间隙及导管与薄壁细胞之间的Ca2+-ATPaseCa2+-ATPase活性也有一定提高。活性也有一定提高。 生长素促进根系吸收钙可能机制生长素

27、促进根系吸收钙可能机制w 曾认为生长素促进钙离子的吸收运输曾认为生长素促进钙离子的吸收运输在于激活顶端伸长区的质子泵，形成更多在于激活顶端伸长区的质子泵，形成更多的阳离子交换点，促使钙离子向顶端伸长的阳离子交换点，促使钙离子向顶端伸长区移动，这能够解释钙离子沿导管向富含区移动，这能够解释钙离子沿导管向富含生长素的茎端运输生长素的茎端运输( (质外体运输质外体运输) )，但很难，但很难解释根系用生长素处理的结果。解释根系用生长素处理的结果。 关于生长素促进钙吸收的机制，我们认为关于生长素促进钙吸收的机制，我们认为生长素能够激活吸收钙离子的质外体和共质体生长素能够激活吸收钙离子的质外体和共质体两条

28、运输途径，两条运输途径，促进质外体运输（在导管和胞促进质外体运输（在导管和胞间隙的运输）的机制是生长素能够向细胞壁分间隙的运输）的机制是生长素能够向细胞壁分泌大量泌大量H+H+，使细胞壁变得松弛，松弛的细胞壁使细胞壁变得松弛，松弛的细胞壁露出更多的露出更多的Ca2+Ca2+结合位点（结合位点（RCOO-RCOO-），），吸引更吸引更多的多的Ca2+Ca2+向壁松弛区转移，向壁松弛区转移，原来原来Ca2+Ca2+移走后留移走后留下的空位由后面的下的空位由后面的Ca2+Ca2+填补填补。生长素促进生长素促进共质体运输共质体运输的机制是：的机制是：w 生长素生长素w w 在质膜上被识别在质膜上被识别

29、w w 激活蛋白磷酸酶激活蛋白磷酸酶/钙调素钙调素w w 激活激活w w w H+-ATPase 液泡膜液泡膜Ca2+ -ATPase 质膜质膜Ca2+ -ATPasew 或或Ca2+ /2H+反向转运器反向转运器w w 形成质子梯度形成质子梯度 Ca2+流入液泡流入液泡 Ca2+排出细胞，排出细胞，w 因反馈抑制作用，因反馈抑制作用，w 激活激活Ca2+通道通道 Ca2+存入细胞存入细胞 会有更多的会有更多的Ca2+排向排向w 浓度浓度 低的一侧，使之进低的一侧，使之进wCa2+流入细胞流入细胞 （细胞钙吸收）（细胞钙吸收） 入质外体顺浓度梯度运输入质外体顺浓度梯度运输 w增加新根数量增加新

30、根数量也是生长素促进根系钙吸也是生长素促进根系钙吸收的重要原因收的重要原因w Ca Ca2+2+运输的方向性可能取决于运输的方向性可能取决于CaCa2+2+ -ATPase-ATPase在质膜与细胞上分布与活性的在质膜与细胞上分布与活性的不均匀性不均匀性，细胞朝向导管的一侧质膜上，细胞朝向导管的一侧质膜上以及靠近导管的细胞或组织中以及靠近导管的细胞或组织中CaCa2+2+ - -ATPaseATPase量更多，活性更高。量更多，活性更高。7、植物钙素吸收和运转（概要）植物钙素吸收和运转（概要） 钙素从根系到冠部的运移既经过质外体也穿钙素从根系到冠部的运移既经过质外体也穿越共质体，该过程包括越共

31、质体，该过程包括根细胞根细胞的钙吸收的钙吸收、钙离钙离子子穿过根系穿过根系并进入木质部、并进入木质部、在木质部在木质部运输运输、从、从木质部移出木质部移出并进入叶片或果实及在叶并进入叶片或果实及在叶片或果实中的片或果实中的运转分配运转分配等环节，其中根细胞的等环节，其中根细胞的钙吸收和钙离子横向穿过根系并进入根系木质钙吸收和钙离子横向穿过根系并进入根系木质部导管这一过程研究较多。部导管这一过程研究较多。 钙离子通道、钙离子通道、Ca2+-ATPCa2+-ATP酶和酶和Ca2+/H+Ca2+/H+反向反向转运器等均参与转运器等均参与根细胞的钙吸收根细胞的钙吸收。根毛增大了。根毛增大了根系吸收表面

32、积，根毛直接与土壤环境接触，根系吸收表面积，根毛直接与土壤环境接触，可以通过根毛细胞上的钙离子通道吸收钙离子可以通过根毛细胞上的钙离子通道吸收钙离子，实验发现根毛尖端钙离子内流速率最高。，实验发现根毛尖端钙离子内流速率最高。 在钙离子横向穿过根皮层进入木质部的过在钙离子横向穿过根皮层进入木质部的过程中，需要穿越内皮层和木质部薄壁细胞组织。程中，需要穿越内皮层和木质部薄壁细胞组织。内皮层的凯氏带阻挡了钙离子在质外体的移动内皮层的凯氏带阻挡了钙离子在质外体的移动，钙离子需要钙离子需要由此通过离子通道转入共质体由此通过离子通道转入共质体（先进（先进入内皮层细胞细胞质，再经胞间连丝传输），实入内皮层细

33、胞细胞质，再经胞间连丝传输），实验发现根细胞存在多种钙离子通道。验发现根细胞存在多种钙离子通道。 液泡可以通过调节细胞溶质的钙离子浓度液泡可以通过调节细胞溶质的钙离子浓度而影响钙离子的共质体运输，而影响钙离子的共质体运输，Ca2+-ATPCa2+-ATP酶和酶和Ca2+/H+Ca2+/H+反向转运器在此起重要作用。反向转运器在此起重要作用。 内皮层的凯氏带发育要经过三个阶段，内皮层的凯氏带发育要经过三个阶段，在第在第一和第二阶段，凯氏带发育不完善，物质仍可以一和第二阶段，凯氏带发育不完善，物质仍可以通过通过；即使进入发育完善的第三阶段，凯氏带也；即使进入发育完善的第三阶段，凯氏带也不是绝对不通透，所以，不是绝对不通透，所以