植物にもカルシウムサプリメントは必要ですか？カルシウム欠乏により植物は「生存が困難」になり、「食用にも適さない」状態になる

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カルシウムと聞いたときの最初の反応は何ですか?それは骨の健康、あるいはカルシウム補給かもしれません。実際、カルシウムは人間の健康な成長と発達に不​​可欠です。しかし、カルシウムも植物の正常な成長に不可欠であるとは思わないかもしれません。気候が乾燥しているとスイカはなぜ甘くなるのでしょうか?ネムノキはなぜ暴風雨の前に葉を畳むのでしょうか?なぜエピフィラムは夜になるとだけ花を咲かせるのでしょうか?これらはすべてカルシウムに関連しています。

今日はカルシウムと植物についてお話します。

私たち人間の体は外部環境の変化を感知することができますが、そのすべては舌の味覚受容器、皮膚の温度受容器、圧力受容器など、体の内外の受容器に依存しています。これらの受容体は外部信号によって刺激されると、その信号を電気信号に変換し、神経細胞を通じて脳に伝達し、脳はそれに応じて反応します。

実際、植物は環境の変化に応じて同様のメカニズムを持っています。

これまでの多くの研究で、植物が悪条件下にある場合、細胞内のカルシウムイオン濃度が劇的に急速に変化し、この変化が実際に植物のストレス抵抗能力に関係していることが明らかになっています。

ポーランドの科学者ドロタ・コノプカ・ポストポルスカ氏は、2009年に早くも、細胞へのカルシウムイオンの侵入を制御する膜結合タンパク質の役割を研究する実験を実施しました。アラビドプシスを短光条件下で 4 週間培養した後、開花を遅らせ、栄養成長を維持し、その後干ばつ処理を施しました。

実験開始当初、シロイヌナズナが栽培されていた土壌は徐々に乾燥し、ついには完全に脱水状態になりました。結果は、アネキシン欠損変異体（Atann1）は干ばつ処理後5日目に萎凋症状を示したことを示しました。一方、野生型とアネキシン過剰発現株は緑色でふっくらとした状態を維持しており、これはアネキシンが干ばつストレス条件下で役割を果たす可能性があることを示している。

言い換えれば、植物は実際に外部の悪条件を感知し、この信号をカルシウムイオン濃度の変化に変換することができます。カルシウムイオンは対応するタンパク質に情報を伝達します。では、どの受容体が外部信号を細胞内のカルシウム信号に変換するのでしょうか?

最新の研究で、湖南農業大学の科学者らは、水分含有量が増加すると、植物の低浸透圧受容体OSCA2.1とOSCA2.2が外界の豊富な水分を素早く感知し、細胞質内のカルシウム信号を増強し、防御反応を起こすことを発見した。

実際、浸透圧受容体 OSCA 遺伝子ファミリーは非常に古いものです。これらは原生生物に最初に出現し、原生生物の細胞の形状と圧力を維持する役割を果たします。植物が陸上に進出した後、より複雑な水環境に直面するようになりました。土壌の水分含有量は高いときもあれば低いときもあり、大雨や洪水により水分の蓄積に時々変化が生じました。これにより、陸生植物は対処戦略を開発せざるを得なくなり、植物の OSCA 遺伝子ファミリーの拡大と進化が水の変化に対する植物の反応に重要な役割を果たしました。

問題は、植物にも敏感な受容体があるにもかかわらず、検出された環境情報を対応する細胞にどうやって伝えるのかということです。結局のところ、植物には情報を伝達する特殊な神経細胞は存在しないのです。このとき、カルシウムイオンが重要な役割を果たします。

植物細胞では、カルシウムイオンの流速は私たちが想像するよりもはるかに速く、毎秒400ミクロンに達しますが、これは速いとは言えません。しかし、植物の根の細胞の大きさは通常数十ミクロンしかないため、情報は 1 秒以内に根系の内部に伝達されます。

では、カルシウムイオンはどのようにして植物細胞を動かし、すべての細胞を極限の環境に対処できる状態にするのでしょうか?ここで、特殊なタンパク質であるカルモジュリンについて考えてみましょう。細胞では、それぞれの生産ラインにはそれを起動するための特定のキーがあり、カルモジュリンはカルシウムイオンの濃度が変化すると形を変えることができる特別なキーであり、それによって異なる細胞生産ラインを起動します。カルモジュリンはマスターキーのようなもので、賢いキーであると言っても過言ではありません。

細胞内のカルシウムイオンは急速に出入りしていることに注目する価値があります。これは、カルシウムイオンの濃度が高いと、細胞の正常な機能に大きな支障をきたす可能性があるためです。そのため、数秒以内に細胞内のカルシウムイオン濃度は正常に戻ります。しかし、この時期、植物はすでに干ばつに備えており、乾燥した環境によって脱水症状を起こさないように糖分やアミノ酸を生成するために残業しています。

果物が甘いかどうかは、実はカルシウムに関係しています。これは誰も考えなかったことだ。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。著者: Shi Jun

査読者: 顧磊、首都師範大学生命科学学院准教授

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司