利用基于斜发沸石（Clinoptilolite）的钙藻酸盐（Ca-Alginate）系统，通过Ca2+第二信使介导的方式刺激植物标记免疫基因的表达

《Plant Physiology and Biochemistry》：Ca2+ Second Messenger-Mediated Stimulation of Plant Marker Immune Gene Using Clinoptilolite-Based Ca-Alginate

本研究利用天然Clinoptilolite制备的钙Alginate复合物（Alg-Ca-NCP）探究其对植物钙信号传递及免疫基因表达的影响。通过叶 mustard 和番茄实验发现，Alg-Ca-NCP能显著提高叶绿素和过氧化氢酶（CAT）含量，促进WRKY33、NHL10和OXI1等免疫相关基因表达，并通过FITC标记证实其可能通过跨膜运输进入植物细胞。该复合物在钙释放稳定性及跨膜运输机制上具有显著优势，为植物抗逆研究提供了新策略。

　　钙在植物中的作用是多方面的，它不仅是结构、代谢和信号传导的重要元素，还能够通过细胞膜上的协同运输过程实现其生理功能。近年来，研究人员发现天然斜发沸石（NCP）与钙藻酸盐（Alg-Ca）结合形成的复合材料，具有潜在的生物活性，可以作为钙的二次信号来激活植物的免疫基因，如WRKY33、NHL10和OXI1。这种材料的钙含量为9.46 wt%，在钙抗性控制条件下，能够显著增强这些免疫基因的表达，分别达到约3倍、5倍和3倍的效果。研究结果表明，Alg-Ca-NCP能够有效促进钙通过细胞膜上的钙通道运输，从而增强植物的免疫能力。同时，这种处理方式对叶片芥菜中的过氧化氢酶（CAT）和叶绿素（Chla和Chlb）含量有显著影响，有助于提高叶片的电子传递能力，同时减少缺氧引起的损伤。初步研究表明，Alg-Ca-NCP可能通过内皮层横向渗透进入木质部导管，并向上运输通过叶片和根部细胞。这些发现表明，Alg-Ca-NCP可能直接通过跨膜运输进入细胞膜，但其具体机制仍需进一步研究。

在植物的钙信号传导过程中，钙作为核心信号转导分子，常常与通道、泵和载体协同作用，产生特定的信号特征。钙信号的产生通常分为三个阶段：（1）在外界刺激下，细胞内钙浓度发生变化；（2）钙信号被其传感器直接识别；（3）信号被传导至细胞内部，引发下游反应。钙信号不仅在植物的免疫反应中起关键作用，还在细胞生长、免疫、共生和系统信号传递中扮演重要角色。植物利用钙调素（CaM）来激活细胞膜、内质网和液泡中的钙泵（如Ca2?-ATPase），从而维持细胞内钙的平衡。然而，关于钙通道在植物中的具体识别和功能仍存在许多未知之处，尤其是在钙快速流入反应中，其相关通道的鉴定仍较为有限。

藻酸盐（ALG）是一种天然多糖，能够通过激活植物的防御信号和防御基因来提高植物对病原体的抗性。其中，钙藻酸盐（Alg-Ca）微球具有良好的保水性和控释性能，可作为农业中水和农药（肥料）的控释载体。然而，如何通过细胞膜的协同运输实现钙的生理功能仍然是一个未解之谜。为此，研究团队通过多种表征手段，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（SEM-EDX）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）和X射线光电子能谱（XPS）等，对制备的Alg-Ca-NCP进行了结构和纹理特征的分析。结果显示，Alg-Ca-NCP具有均匀的粒径分布，约为8.2 nm，并且其结构特征与天然斜发沸石（NCP）相似，均表现出结晶结构。

在植物生理反应方面，研究团队评估了Alg-Ca-NCP对叶片芥菜生理指标的影响。结果显示，使用不同浓度的Alg-Ca-NCP处理后，叶片芥菜的过氧化氢酶（CAT）活性显著提高，尤其在第21天时，其CAT活性达到了1970 U·g?1·min?1，明显高于CaCl?处理（1365 U·g?1·min?1）和水处理（1210 U·g?1·min?1）的效果。此外，Alg-Ca-NCP处理还显著提高了叶片芥菜的叶绿素含量，特别是在第21天时，其叶绿素含量达到了2.92 mg·g?1，远高于水处理（2.01 mg·g?1）和CaCl?处理（2.43 mg·g?1）的水平。这些结果表明，Alg-Ca-NCP能够有效促进植物免疫反应，同时增强其抗氧化能力，减少缺氧造成的损伤。

为了进一步验证Alg-Ca-NCP在植物细胞中的跨膜运输能力，研究团队使用荧光素异硫氰酸酯（FITC）标记Alg-Ca-NCP，并在拟南芥叶片和番茄根部进行了初步的荧光表达研究。结果显示，FITC标记的Alg-Ca-NCP在植物细胞中表现出较强的荧光信号，表明其能够被植物细胞吸收并运输。通过这些实验，研究团队发现Alg-Ca-NCP可能通过内皮层横向渗透进入木质部导管，并向上运输至叶片和根部细胞。这些观察结果为理解钙在植物细胞中的运输机制提供了新的视角，同时也为开发新型植物免疫诱导材料提供了理论支持。

在基因表达方面，研究团队通过实时荧光定量聚合酶链反应（RT-qPCR）检测了Alg-Ca-NCP对拟南芥免疫标记基因表达的影响。结果显示，使用Alg-Ca-NCP处理的植物中，WRKY33、NHL10和OXI1等基因的表达水平显著提高，分别达到水处理、GdCl?和LaCl?处理的5-22倍、2-15倍和5-110倍。这些结果表明，Alg-Ca-NCP能够有效激活这些免疫相关基因，从而增强植物的免疫反应。特别是，在钙抗性控制条件下，Alg-Ca-NCP处理的植物中，这些基因的表达水平仍然显著高于其他处理方式，说明其在钙信号传导中的重要作用。

通过这些研究，团队不仅揭示了Alg-Ca-NCP在植物钙信号传导和免疫反应中的关键作用，还为解决植物在极端干旱、低温损伤或盐胁迫条件下钙信号无法进入细胞的问题提供了可能的解决方案。此外，Alg-Ca-NCP的结构和运输特性使其在农业中具有广泛的应用前景，能够提高植物的抗逆性和免疫能力，从而增强其在不同环境条件下的生长表现。这些研究结果对于理解植物钙信号传导机制和开发新型植物免疫诱导材料具有重要意义。