钙是植物生长发育所必需的矿质营养元素，在植物体内发挥着重要的作用^{[1, 2]}。钙缺乏会导致植物生长发育中某些生理活动紊乱和生理病害，降低农作物的产量和品质，进而造成严重的经济损失^[3-5]。已有研究表明，钙可激发诱导植物对病原菌侵染产生先天性免疫、病原物相关分子模式触发免疫（PAMP-triggered immunity，PTI）和过敏性反应（HR）等^[6-11]，从而显著降低植物病害的发生。如Sugimoto等^[12]研究表明，大豆移栽前及移栽后14 d，喷施甲酸钙、硝酸钙能显著抑制大豆茎腐病的发生；Rademacher^[13]对苹果和梨树喷施调环酸钙可以诱导植物对火疫病和其他病害的抵抗力；Paula Júnior^[14]向菜豆叶面喷施CaCl₂和CaSiO₃可显著降低菜豆感染菌核病的病情指数；Yoon等^[15]研究发现不同Ca²⁺处理可极显著的降低辣椒对灰霉病的感病性。近年研究结果表明，钙直接对病原菌产生作用，通过抑制病原菌生长、产孢、孢子萌发等减缓病害的发生。如He等^[16]研究指出，碳酸钙作为一种土壤改良剂，通过提高土壤中钙离子浓度来抑制青枯病菌生长，从而控制烟草青枯病的发生；Madani等^[3]研究发现，收获前喷施氯化钙可以极大降低炭疽病菌孢子的萌发，显著控制病害发生的数量与程度。目前国内关于钙的植物营养功能报道甚多，而钙抑制植物病害的作用尤其机理报道较少。基于以上原因，本文着重总结了近年来国内外关于钙抑制植物病害发生的作用及机制，以期为深入研究钙抑制植物病害发生及其机理提供参考。

1 钙提高植物抗病性的相关机制

植物病害发生是病原菌致病能力与寄主植物抗病性综合作用的结果。研究表明，钙不仅是植物生长的必须营养元素，而且在植物与病原菌互作过程中，钙也参与植物的防御反应，从而提高寄主植物对病原菌的抵抗能力。

1.1 参与组织结构的形成，增强植物细胞稳定性和抗病能力 1.1.1 钙参与细胞壁形成

植物细胞壁的重要组成成分--果胶主要由多聚半乳糖醛酸（polygalactur-onic acid，PGA）和半乳糖醛酸鼠李糖（RG）组成，其游离羧基在钙的交联作用下发生链接，从而形成二聚体、三聚体及四聚体。聚合度越高，果胶结构越牢固，壁的机械强度越大，阻止胶层解体能力越强，果实硬度保存时间越久^[17]。大量研究表明，外源补钙能明显提高植物体内自由Ca²⁺和结合钙含量及细胞壁的强度^[18-22]。植物组织中钙含量将促进钙与果胶形成果胶酸钙进而形成复合体结构，从而有利于维持细胞壁结构的完整及稳定，这种复合体结构是植物抵御病菌入侵的关键^[23-25]。其实，许多病原物是通过产生能溶解胞间层多聚半乳糖醛酸酶等细胞外果胶酶来侵染植物组织，而胞间层的Ca可以形成多聚半乳糖醛酸钙，可减少细胞壁受果胶酶的影响，对提高细胞壁的稳定性十分重要。

另外，钙在果实细胞中还以水溶性Ca²⁺、草酸钙、磷酸钙等多种形式存在，果实细胞内钙库与细胞外钙库处于动态平衡状态，磷酸钙和草酸钙的形成是一种解毒作用^[26]，磷酸钙与ATP的能量代谢相联系，草酸钙的形成可阻止由于草酸过多而破坏中胶层进而诱发苦痘病。如刘剑锋等^[27]研究发现梨果实采后浸钙，形成了较多的磷酸钙和草酸钙，从而消除贮藏过程中有害代谢产物的毒害。朱竹等^[28]进一步研究发现钙处理促进了果实贮藏后期草酸钙的增加，草酸钙在细胞膨压减小及果胶水解时可能会减缓细胞壁物质的溶解，从而缓解果实硬度的下降。

植物组织中钙含量还调节植物细胞壁相关水解酶活性。如温明霞等^[29]发现果皮中钙含量不足导致细胞壁水解酶（PG、CX）和多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）活性提高，其机理可能在于PPO参与了细胞壁成分的酚基交联，减小了果皮细胞壁的延展性，而作为构建细胞壁重要组分的果胶和纤维素被PG、CX水解后从细胞壁中溶解出来，使可溶性果胶含量增加，降低了果皮的强度。王国华等^[30]利用沙培研究发现增加培养液中钙素浓度可以显著抑制番茄枯萎病的发生，其原因是植物导管液中高钙浓度可以显著抑制病原菌产生的细胞壁分解酶（多聚半乳糖醛酸酶）的活性，从而减轻病原物的侵染，增加抗病力；同时，钙还可以通过影响细胞内的酸碱度来调节酶的活性^{[31, 32]}。

1.1.2 钙参与细胞膜形成

钙对维持植物体内生物膜的稳定性具有重要意义，通过结合到质膜外表面对膜功能的维持起重要作用。适量的钙能使表皮细胞膜稳定性提高，从而减轻病菌的侵染和繁殖，而缺钙时细胞膜透性增加，低分子化合物（如糖、氨基酸）等从原生质体渗入叶和茎组织的质外体中^[33]，从而有利于病原物的侵染和繁殖。

研究表明，钙主要通过将膜表面磷酸盐和磷酸脂蛋白质羟基连接影响质膜外表面的膜磷脂和蛋白质的排列，从而稳定生物膜透性和细胞完整性，防止胞内底物与酶接触导致生理代谢紊乱^[34]。同时，质膜上的钙可调节植物对离子的选择性吸收，并防止溶质从细胞质中泄露出去，从而增强膜结构的稳定性和保持细胞活力。研究发现，采后果实的含钙量影响呼吸强度是由于钙调节膜的透性，限制底物从液泡内向细胞质内的呼吸酶系统扩散，进而减少内源底物的分解代谢^[35]。Paliyath等^[36]认为，外源钙处理降低苹果微粒膜的微黏性，可以避免与衰老有关的膜的微黏性增加。

1.2 诱导植物产生防卫反应，增强植物抗病能力

植物在受到环境中生物及非生物因子的胁迫后，会产生抗性反应，以保护自身免受损害，这种现象称为植物的诱导抗性。诱导抗病性可分为两种类型：一是诱导植物局部、快速的过敏性坏死反应（hypersensitive response，HR）；二是诱导植物系统获得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）。

1.2.1 诱导植物产生过敏反应

过敏反应是寄主的局部防卫反应，是非亲和性病原感染后在病原侵染部位产生的抗病反应。侵染部位细胞死亡了，使病原不易获取养分，同时又诱导周围细胞累积抑制病原生长的物质，从而限制病原的增殖和活动范围。其特征是使寄主组织局部变褐，形成枯斑。有研究表明Ca²⁺参与植物的过敏反应，抑制病原物侵染和病斑的扩展，如张蓓等^[37]研究发现，给小麦注射胞内钙螯合剂，小麦对叶锈菌侵染的过敏性反应受到抑制，该抑制作用表现出浓度依赖性；Tian等^[38]认为可诱导的内在终止蛋白XA10是通过破坏内质网和细胞内Ca²⁺的平衡状态来触发细胞的程序性死亡，从而引起过敏反应；Yin等^[39]研究小麦-条锈病菌之间相互作用中观察到Ca²⁺首先从小麦细胞间隙流入细胞质中，最后又从细胞质流回细胞间隙，同时叶肉细胞相邻的坏死细胞中观察到钙沉积，这表明在小麦-条锈病菌互作系统中，细胞质中Ca²⁺浓度升高是引起过敏性反应的先决条件。

1.2.2 诱导植物产生系统的抗病反应

局部防卫反应的发生会导致质膜两侧的离子流发生变化、钙离子从钙库释放、产生大量的活性氧和H₂O₂及蛋白质的磷酸化，并在受害植株的非侵染位点也产生诱导抗性，即系统获得抗性。而水杨酸（SA）是介导由过敏反应到植物产生系统获得抗性的信号分子。目前研究已证明Ca²⁺是SA信号转导的一部分^[40-43]。刘新等^[44]研究发现Ca²⁺促进SA诱导气孔关闭，降低病原菌从植物自然孔口中侵入，而使用钙螯合剂BAPTA后SA则不能诱导气孔关闭；Du等^[45]研究发现在拟南芥中Ca²⁺/CaM结合转录因子SR1调控SA介导的抗病反应；Hashimoto等^[46]发现在病原菌刺激下，拟南芥中钙信号和水杨酸信号有一定的协同作用，通过Ca²⁺/CaM结合转录因子AtSR1（也称为CAMTA3）和一个确定的水杨酸水平调节器EDS1，发现AtSR1与EDS1的启动子互作，并抑制其表达；李天来等^[47]研究发现Ca²⁺在SA诱导番茄抗灰霉病中具有正调控作用，而且这种作用与PAL、几丁质酶、β-1，3-葡聚糖酶活性及其基因表达密切相关。另外，钙离子或钙离子与钙调蛋白相结合后可直接调节植物的抗病基因的表达^{[41, 48, 49]}。如在拟南芥野生型和cpn1-1（一种植物抗病的抑制子）突变体研究中发现，钙离子可以诱导cpn1-1突变体中抗病相关基因的表达，但野生型中由于有CPN1的存在而抑制了PR基因表达。

1.3 调节植物的抗氧化系统，提高植物的抗病性

抗氧化系统是植物受逆境胁迫时抵抗不良影响的重要机制，通过各类抗氧化剂可清除胁迫产生的一系列活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）（如超氧阴离子、过氧化氢等）。抗氧化剂主要包括专性的抗氧化酶类，如超氧化物歧化酶（supero-xide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（hydrogen peroxi-dase），又称触酶（Cata-lase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase，POD）等及非专性的抗氧化物质如抗坏血酸（ascorbic acid，AsA）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）等，其都是抗氧化系统中的关键酶和抗氧化物质，为维持活性氧的动态平衡，防止生物体膜脂过氧化，保持细胞膜系统的稳定性，维持生物体的正常生理生化活动起重要作用。正常情况下活性氧的产生和清除处于平衡状态，但是在缺钙导致果实生理失调过程中，活性氧代谢系统的平衡被破坏，自由基生成量增加，而清除能力下降，过多的活性氧可攻击蛋白质、脂类及DNA碱基，引发膜脂过氧化，导致生物膜系统破坏和代谢紊乱^{[50, 51]}。Guo等^[52]在大麦中发现，钙可以促进抗氧化酶活性的协调变化，提高活性氧清除速率，从而减轻铝对植物的毒害；韩冰等^[53]的研究表明，外源Ca²⁺可通过促进盐胁迫下黄瓜幼苗植株体内抗氧化酶活性的提高，降低膜脂过氧化水平，减缓盐胁迫对植株的伤害，从而增强对盐胁迫的适应性；温明霞等^[54]发现锦橙在不同时期喷施钙均能提高果实中CAT、SOD和AsA活性，减轻脂质过氧化程度，丙二醛的含量明显降低，维持果皮的强度，延缓果实衰老；Jiang等^[55]研究指出，在一定范围内，增加钙浓度可以提高番茄植株的过氧化物酶活性，对番茄青枯病的控病效果也越好；于威等^[56]研究发现番茄接种枯萎菌后，叶片组织MDA和细胞膜透性均显著提高，而富钙土壤不仅显著增加番茄有效钙含量和干物质重，而且病情指数较低，SOD、POD和CAT等防御酶活性显著增加，丙二醛和细胞膜透性降低，表明适量钙肥可提高番茄系统抗性增强番茄抗枯萎病能力。梁国庆等^[57]从分子水平上证明苹果外源补钙能够调节SOD和CAT基因表达量来激活SOD和CAT酶的活性，有效减少体内活性氧积累，确保果实生理代谢平衡。

2 钙抑制病原菌生长的相关机制

施钙减缓植物发生病害的另一机理是钙直接抑制病原菌生长、真菌孢子和孢子囊的萌发、芽管伸长等^[58-64]。He等^[16]研究发现土壤中施用粒径小于3 mm的CaCO₃能够延缓和降低烟草青枯病害的发病，其原因是Ca²⁺可以显著抑制青枯病菌的生长和青枯病菌胞外果胶酶活性，从而延缓和降低烟草青枯病的发生。Arras等^[65]发现高浓度的钙会影响真菌细胞的渗透平衡，导致离子毒害，从而抑制孢子的萌发。Madani等^[3]在研究氯化钙对采前果实钙水平和采后番木瓜炭疽病的影响时发现，收获前氯化钙的应用可以降低炭疽病菌孢子的萌发，并减少疾病的发生和严重程度。其与Eryani-Raqeeb等^[60]的研究结果一致，高浓度的钙能够减少番木瓜炭疽病菌孢子的萌发。而Droby等^[59]也发现在柚子中钙的含量增加时，能够减少青霉菌的孢子萌发。

3 与生防菌协同控制植物病害的发生

利用病原菌的拮抗微生物防治植物病害是目前较有潜力的一种防治方法，其最大优点是不污染环境，其作用机制包括和病原菌竞争空间和营养、产生细胞壁溶解酶和诱导寄主植物抗性等^[66-68]。目前，为了提高生防菌的抗菌物质产量和改善菌种特性，将生防菌与某些有机或无机物质混合以提高生防菌的效果也有不少报道。如吴芳芳等^[69]证明了钙盐协同枯草芽孢杆菌推迟了苹果炭疽病的发病时间，抑制了病斑的扩展和分生孢子盘的发育，抑制效果显著高于钙盐和枯草芽孢杆菌的单独作用。Singh等^[70]研究发现，Ca²⁺作为第二信使能够与丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）发生相互作用，并且在调节细胞内微生物的作用时起着重要的作用。李少朋等^[71]研究证明丛枝菌根真菌与外源钙联合作用有利于玉米的生长，缓解了干旱胁迫对苗期玉米生长的影响，接种AMF对矿区退化土壤具有显著改良效应。另外，庄敬华等^[72]研究发现木霉菌结合硫酸钙处理土壤能显著降低甜瓜枯萎病的病情指数。

4 展望

在减少农药用量、保护生态环境日益强烈的今天，利用合理管理植物矿质营养元素来提高植物抗性和减缓植物病害发生是一种环保、可持续防治法，越来越受到人们的重视。研究发现，除钙之外，其他矿质元素如硼等也可以提高植物抗性、抑制病原菌的生长，然而不同矿质营养元素间协同作用研究甚少，应该进一步研究钙与其他矿质元素相互作用，将多种矿质元素协同发挥作用，使植物获得最大的抗性。当然，在利用矿质元素控制植物病害时，应考虑其浓度是否在植物所需的范围，如果超出这个范围，虽然可抑制病原菌，但对植物有害，研究就没有应用价值。