Altered calcium and potassium distribution maps in tomato tissues cultivated under salinity: studies using X-ray fluorescence (XFM) microscopy

Resumo

A distribuição de cálcio (Ca²⁺) em frutos com baixa transpiração, em comparação com folhas com alta transpiração, é uma preocupação para a indústria frutícola. A absorção de Ca²⁺ é ainda mais comprometida sob salinidade devido à competição antagônica com o sódio (Na⁺). Neste estudo, a fluorescência de raios X (XFM) foi aplicada para elucidar a localização in situ e os padrões de distribuição de Ca²⁺ e potássio (K⁺) em tecidos de folíolos e frutos de tomate sob salinidade versus controles não salinos. O sinal de Ca²⁺ nos folíolos foi até 7 vezes maior do que nos frutos. Os maiores hotspots de Ca²⁺ foram nas lâminas dos folíolos, notadamente em suas margens. Os mapas espaciais de XFM revelaram contrastes marcantes nos padrões de K⁺ versus Ca²⁺ ao longo dos tecidos do mesocarpo proximal-distal. Sob estresse compressivo, os tecidos da polpa proximal foram mais firmes, rígidos e apresentaram maior resiliência à deformação mecânica do que os tecidos distais. Essa propriedade de gradiente mecânico intrínseco foi positivamente correlacionada com a localização do Ca²⁺. A adição de Ca²⁺ amenizou a falha mecânica induzida por Na⁺ e restaurou a firmeza do fruto, mas não a rigidez e a força de pico. O exocarpo apresentou o sinal mais forte de Ca²⁺ no tecido do fruto. O mais fraco foi na cavidade locular. O Ca²⁺ no tecido afetado pela podridão apical (BER) foi até quatro vezes maior do que no tecido são imediatamente circundante, refletindo o colapso da parede celular. As novas perspectivas relatadas aqui sobre a dinâmica de Ca²⁺ e K⁺ no mesocarpo do tomate sob salinidade oferecem uma compreensão aprimorada das propriedades mecânicas do fruto e da deficiência de Ca²⁺.

Abstract

Calcium (Ca2+) distribution into relatively low-transpiring fruit versus relatively high-transpiring leaves is of concern to the fruit industry. Ca2+ uptake is further compromised under salinity through antagonistic competition with sodium (Na+). Herein, X-Ray Fluorescence (XFM) was applied to elucidate in-situ localization and distribution patterns of Ca2+ and potassium (K+) in tomato leaflet and fruit tissues under salinity versus non-saline controls. Leaflet Ca2+ signal was up to 7 times higher than that in fruit. Highest Ca2+ hotspots were in leaflet blades, notably at their margins. XFM spatial maps revealed striking contrasts in K+ versus Ca2+ patterns along proximal–distal mesocarp tissues. Under compressive stress, proximal fruit flesh tissues were firmer, stiffer and showed higher resilience to mechanical deformation than distal tissues. This intrinsic mechanical gradient property was positively correlated with Ca2+ locality. Added Ca2+ ameliorated mechanical failure induced by Na+ and restored fruit firmness, but not stiffness and peak force. The exocarp had the strongest Ca2+ signal in fruit tissue. The weakest was in the locular cavity. Ca2+ in Blossom End Rot (BER) affected tissue was up to fourfold that in immediately surrounding sound tissue, reflecting cell wall collapse. New insights reported here into Ca2+ and K+ dynamics in tomato mesocarp under salinity offer improved understanding of fruit mechanical properties and Ca2+-deficiency.