Etilene
La scoperta
L’etilene è un ormone gassoso con diverse funzioni
Aria (controllo)
Etilene per 7 gg
L’etilene regola:
• maturazione dei frutti
• espansione degli organi
• senescenza
• risposte allo stress
Aria
Etilene
Cotton plants
Arabidopsis
Antichi metodi di maturazione dei frutti
Nell’antichità i cinesi erano soliti bruciare incenso in
stanze chiuse per favorire la maturazione delle
pere. Sappiamo oggi che il fumo di combustione
contiene etilene.
Nel Vecchio Testamento il Profeta Amos scrive che
ferite causate sulla superficie di frutti di fico
favorivano la loro maturazione. Sappiamo oggi che
dalle cellule ferite è liberato etilene.
Nel 1901 l’etilene fu identificato in quanto composto che influenzava la
crescita delle piante
Aumentando l’etilene
Nel 1901 Dimitry Neljubow, studiando la crescita di
plantule di pisello in laboratorio, si accorse che
mostravano strani sintomi definiti tripla risposta:
inibizione dell’allungamento del fusto, aumentata
crescita radiale del fusto e aumentata formazione
dell’uncino apicale. Se le plantule erano cresciute
all’esterno del laboratorio non mostravano tali sintomi.
Neljubow ipotizzò che l’etilene prodotto dalla
combustione del gas illuminante le lampade del
laboratorio, fosse la causa della crescita anomala.
Il gas illuminate era prodotto
dalla distillazione del carbone e
conteneva alti livelli di etilene.
Nel 1934 Gane isolò l’etilene da mele in maturazione e dimostrò la sua natura di fitoregolatore
La GC rivelò che l’etilene è una causa e non la conseguenza della maturazione
Spesso la sintesi di etilene precede
la maturazione ed è associata con
la produzione di CO2 (respirazione).
Etilene
Struttura e biosintesi
L’etilene è un ormone gassoso
L’etilene è il più semplice degli alcheni con molecola planare. A temperatura e pressione ambiente, è un gas più
leggero dell’aria, infiammabile e facilmente ossidabile. L’ossidazione porta prima alla formazione di ossido di etilene e
quindi di glicole etilenico. Nei tessuti vegetali l’etilene è completamente ossidabile a CO2.
Tutti i tessuti delle piante superiori hanno la capacità a sintetizzare etilene. La sintesi avviene al sito di azione, ma
l’ormone si può muovere liberamente attraverso le cellule. L’etilene diffonde attraverso la fase gassosa degli spazi
intercellulari verso l’esterno nell’aria.
Con una concentrazione di etilene in fase gassosa di 1 µL/L (= 45 mM) a 25 °C, la concentrazione di etilene in fase
acquosa è circa 4.4 nM (~ 10.000 volte di meno: praticamente insolubile in acqua).
Alte produzioni di etilene si riscontrano in tessuti senescenti, in tessuti sottoposti a stress o a ferite e nei frutti in fase di
maturazione (> 1 nL/g peso secco/h).
L’etilene è biologicamente attivo a concentrazioni bassissime: ≤ 1ppm (= 1 µL/L). Perciò, dato che frutti, vegetali e fiori
producono etilene durante la conservazione, la concentrazione dell’ormone nell’ambiente di conservazione deve
essere strettamente controllata.
www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.110.tt0310
La sintesi di etilene
4
3
PRECURSORE
Metionina
S-adenosil-metionina
Ac. aminociclopropano
carbossilico
MTA = S-metiltioadenosina
L’etilene è prodotto dalla metionina (MET, carbonio 3 e 4) attraverso la S-adenosilmetionina
sintetasi e successiva azione degli enzimi ACC sintasi (ACS) e ACC ossidasi (ACO).
L’enzima ACS
La sintesi di etilene è regolata soprattutto a livello della reazione catalizzata
dall’enzima ACS
L’accumulo di ACS è il
passaggio rate-limiting per la
sintesi di etilene
• L’enzima ACS è codificato da 9 geni in Arabidopsis e da 12 in pomodoro; queste
differenti proteine mostrano diverse funzioni.
• Alcune proteine ACS sono fortemente regolate con meccanismi post-traduzionali.
In Arabidopis ACS è codificato da 9 geni ed è un dimero
I prodotti della famiglia genica ACS possono
generare potenzialmente 45 tra omodimeri ed
eterodimeri. Tuttavia solo 25 sono funzionanti.
Type I
Type III
Type II
Type I
S SSS
Type II
S
Type III
Differenti dimeri di ACS possiedono diverse proprietà catalitiche
Il sottogruppo dei geni
espressi in ogni cellula
determina il tipo di
dimeri ACS che si
formano ed influenza la
velocità di sintesi di
etilene.
I geni ACS hanno funzioni uniche o funzioni comuni
L’analisi dei mutanti singoli mostra che ogni gene ha una funzione unica e specifica.
Mutanti di ordine superiore mostrano che esistono funzioni comuni essenziali incluso gli effetti sul tempo
di fioritura.
Mutanti ACS di ordine superiore fioriscono prima.
Conclusione: l’etilene ritarda la fioritura.
Mutanti di ordine superiore sono più suscettibili all’attacco di patogeni.
Conclusione: l’etilene contribuisce alla resistenza verso i patogeni.
Piante inoculate con Botrytis cinerea
Il mutante che manca di tutti e 9 i geni ACS non è vitale.
Pertanto l’etilene è necessario per la sopravvivenza
della pianta.
Bolting = fioritura prematura, problema agronomico rilevante in piante
come la barbabietola da zucchero, poiché riduce la resa.
Controllo post-traduzionale dell’attività di ACS
Studi genetici hanno identificato i mutanti eto (ethylene-overproducer)
Partendo da semi trattati con agenti mutageni e fatti germinare e crescere su agar in presenza o in assenza di etilene,
è stato ottenuto il mutante eto1 ed altri mutanti simili (eto3).
eto1
Wild Type
ARIA
ETILENE
ARIA
I mutanti eto
mostrano la risposta
tripla* in aria (quindi
anche in assenza di
etilene).
La causa è una
produzione di etilene
da 10 a 100 volte
superiore rispetto al
WT.
*Tripla risposta in plantule di pisello: 1) inibizione dell’allungamento del fusto; 2) ispessimento radiale del fusto, in particolare nell’uncino;
3) crescita orizzontale del fusto.
Perché il mutante eto1 produce una quantità esagerata di etilene?
La mutazione porta alla perdita di funzione della proteina ETO1 che nel wild type interagisce con l’enzima ACS e lo
ubiquitina avviandolo verso la degradazione proteolitica.
ubiquitina
ACS
ETO1 fa parte di un complesso ubiquitinaligasi che ha per target l’enzima ACS, lo
ubiquitina e ne favorisce la proteolisi da parte
del proteasoma 26S.
ETO1
ACS
CUL3
Effetti della mutazione
Nel mutante eto1 l’isoenzima
ACS5 è selettivamente
stabilizzato.
Conclusione: la sintesi di
etilene aumenta.
WT
eto1
ACS5
Proteasoma 26S
-tub
ACS inattivata
Altri due mutanti, eto2 e eto3, mostrano isoenzimi ACS5 o ACS9 più stabili
Stabilità di ACS5 nel tempo
0
15
30
45
ACS5
eto2
(inserimento di una singola base che determina lo slittamento della frame
che influenza gli ultimi 12 aa di ACS)
ACS9
eto3
(sostituzione di un aa presso l’estremità C-terminale)
In eto2 e eto3 la mutazione causa cambiamenti nella regione C-terminale degli
enzimi ACS5 o ACS9. La proteina mutata risulta più stabile e ciò porta all’aumento
della sintesi di etilene.
60 120 min
Gli isoenzimi ACS sono normalmente soggetti a rapida proteolisi…
Degradazione da
parte del
proteasoma 26S
Traduzione
Di norma gli isoenzimi ACS sono
continuamente
sintetizzati
e
degradati, mantenendo in questo
modo ridotti livelli di etilene nella
pianta.
ACS
ETO1
CUL3
…tuttavia la fosforilazione dell’estremità C-terminale stabilizza gli isoenzimi ACS
interferendo con l’azione di ETO1
Serine poste all’estremità
C-terminale sono fosforilate
da chinasi.
Bersaglio di
MAP chinasi
P P P
Tipo I
S SSS
P
Tipo II
Tipo III
S
Bersaglio di
CDP chinasi
Perché in certe condizioni è necessaria la stabilizzazione dell’attività di ACS?
Allorché la pianta è esposta ad attacchi da parte di patogeni, a ferite, a stress o ad ormoni (ad esempio
auxine).
La maggiore stabilità di ACS è conseguita con la fosforilazione della proteina e porta alla maggiore
produzione di etilene, necessaria per affrontare le suddette situazioni.
ATP
MAP
chinasi
P P P
Tipo I
S SSS
FERITE,
ATTACCO DI
PATOGENI
P
Tipo II
Tipo III
S
CDP
chinasi
ATP
STRESS ABIOTICI,
ALTRI ORMONI
Riassunto - Sintesi di etilene e omeostasi
SAM
Biosintesi di
Etilene
ACC
ACS
ACO
Gli isoenzimi di
ACS sono resi più
stabili se la pianta è
ferita ecc.
C2 H4
• La via biosintetica è regolata a livello dell’espressione dei geni per ACS (e sembra anche di ACO),
variando la stabilità degli enzimi.
• Le attività enzimatiche sono regolate sia a livello di trascrizione che con meccanismi posttrascrizionali e sono sensibili a segnali di sviluppo, ferite e patogeni.
I recettori per l’etilene
La risposta all’etilene - I recettori e la via di signaling
Nel 1980 fu realizzato uno screening
genetico partendo da semi di Arabidopsis,
trattati con agenti mutageni e fatti germinare
e crescere su agar in presenza o in assenza
di etilene, furono scoperti vari mutanti che
mostravano insensibilità all’ormone. Su tali
mutanti furono intrapresi una serie di studi
per identificare la via di signaling di etilene a
livello molecolare.
Tripla risposta normale
Nessuna risposta
all’etilene – ossia
insensibilità
all’ormone
Le due classi di mutanti per la risposta all’etilene
Classe 1: mutanti insensibili all’etilene
Non presentano la tripla risposta in
presenza dell’ormone.
etr = ethylene-resistant
ein = ethylene-insensitive
ers = ethylene response sensor
Classe 2: mutanti con risposta costitutiva
Presentano sempre la tripla risposta in
assenza di etilene (aria).
ctr = constitutive triple response
Ethylene-insensitive mutants
etr1 etr2 ein4
ein2 ein3 ein5 ein6
Wild type
C2 H4
Constitutive-response mutants
ctr1
aria
ETHYLENE RESPONSE1 (ETR1) codifica per un recettore di etilene in
Arabidopsis
etr1
ETR1 fu la prima proteina ad essere identificata in modo non ambiguo, come
recettore ormonale nelle piante (1993). Il suo sequenziamento indica la presenza
di:
• Dominio di legame dell’etilene
• Dominio GAF (forse con funzione di regolazione, anche se non è nota la funzione
precisa; si sa che simili domini presenti in altre proteine legano il cGMP e funzionano
da domini regolatori)
• Dominio dell’istidina chinasi (H)
• Dominio ricevente (D)
Dominio di
legame
dell’etilene
Il recettore ETR1
GAF
istidina chinasi
H
ricevente
D
I recettori per l’etilene sono simili a quelli per le citochinine
Dominio di
legame
dell’etilene
istidina chinasi
ricevitore
Il recettore dell’etilene assomiglia strutturalmente a quello
delle CKs (parte evidenziata in rosso) ed ai domini a due
componenti di batteri. In questi sistemi il ligando regola
l’attività del dominio istidina-chinasi che autofosforila un
residuo conservato di istidina. Il fosfato è quindi trasferito
ad un residuo di acido aspartico del dominio ricevente .
ETR1
NH2
lume
citosol
Dominio di
legame
dell’etilene
GAF
HK
H
ricevente
D
Il dominio di ETR1 che lega l’etilene possiede tre segmenti
transmembrana.
ETR1 è localizzato sulla membrana del reticolo endoplasmatico
(l’etilene diffonde liberamente attraverso il plasmalemma).
La famiglia di recettori per l’etilene di Arabidopsis
Il genoma di Arabidopsis contiene una famiglia multigenica (5 geni) che codifica per 5 proteine con funzione di recettori:
ETR1, ERS1, EIN4, ETR2, ERS2. Tuttavia l’attività dell’istidina chinasi è presente solo in ETR1; gli altri recettori,
mancando di aa essenziali per l’attività di questo enzima, risultano inattivi.
Si distinguono due subfamiglie i cui membri condividono alte percentuali di identità di sequenza; le differenze tra le due
famiglie sono invece alte. La sottofamiglia II ha un dominio transmembrana extra (rettangolo verde) nel dominio legante
l’etilene rispetto alla sottofamiglia I. Inoltre nella sottofamiglia II il dominio dell’istidina chinasi è poco conservato. Infine
un membro di ogni sottofamiglia manca del dominio ricevente D.
ETR = ethylene-resistant; EIN = ethylene insensitive; ERS = ethylene response sensor
Come funzionano i recettori per l’etilene?
Non sappiamo ancora quale sia l’esatto meccanismo di signaling, ma abbiamo un’idea generale su come
funzionano i recettori dell’etilene. Mutanti in cui almeno tre recettori dell’etilene hanno perso la loro funzione (Fig. A)
mostrano un fenotipo con risposta costitutiva all’etilene (ctr). Da ciò si ricava se i recettori sono integri, in assenza
dell’ormone, inviano segnali (con un meccanismo sconosciuto) inibitori della risposta ormonale.
Pertanto nel wild type (Fig. B) i recettori, in assenza dell’ormone, sono attivi e sopprimono la risposta all’etilene.
Quando si lega l’etilene il recettore si disattiva (forse attraverso un cambiamento conformazionale delle sue
proteine) permettendo alla via di signaling di procedere oltre (Fig. C).
Conclusione: il recettore dell’etilene funziona al contrario della maggioranza dei recettori ormonali in cui il
legame con l’ormone funge da regolatore positivo nella via di signaling.
A
B
(ctr)
C
Il legame dell’etilene col suo recettore richiede rame come cofattore
Il dominio transmembrana del recettore dell’etilene è un omodimero in cui ciascun monomero è formato da tre
segmenti transmembrana (1, 2, 3). I due monomeri sono uniti da un doppio ponte disolfuro –S––S–. La cisteina-65 e
l’istidina-69 dei segmenti 2 transmembrana coordinano un atomo di Cu2+ (Fig. A).
L’etilene si lega al Cu2+ accettando elettroni dal metallo (Fig. B).
I mutanti ran di Arabidopsis presentano la mutazione di una proteina (RAN1) che trasferisce il Cu al dominio
transmembrana del recettore; il risultato della mutazione del gene RAN è un recettore privo di Cu e pertanto incapace
di legare l’etilene.
A seguito del legame dell’etilene col suo recettore è attivato il dominio interno
Il legame tra etilene e Cu provoca un cambiamento conformazionale nel dominio transmembrana del
recettore, che culmina con l’attivazione dell’istidina-chinasi e la fosforilazione (P) di un residuo di istidina
(His) presente in ciascun monomero dell’enzima. Successivamente il P è trasferito ad un residuo di acido
aspartico (Asp) della proteina ricevitore con inizio della trasduzione del segnale.
Cosa accade dopo il legame di etilene col recettore ETR1?
Il mutante ctr1 di Arabidopsis presenta tripla risposta costitutiva in assenza di etilene (Fig. A).
Tale mutazione non interessa il recettore ma qualche altro componente della via di signaling.
Il fatto che questa mutazione causi l’attivazione della risposta all’etilene in assenza dell’ormone (via
normalmente repressa nel wild type, Fig. B), suggerisce che la proteina codificata dal gene CTR1
agisca come un regolatore negativo nella via di signaling sopprimendo la risposta all’etilene.
A
B
recettore dell’etilene
Proteina CTR1
ctr1: constitutive triple response (in aria)
In presenza di etilene ETR1 interagisce con CTR1 e lo inattiva
CTR1* interagirebbe direttamente col recettore dell’etilene ETR1 percependo il segnale ormonale (ma
non si conosce ancora in che modo) inattivandosi.
lume
citosol
*L’analisi delle sequenza di CTR1 ha mostrato somiglianze con le proteine RAF ossia un tipo di proteina chinasi serina/treonina MAPKKK
(Mitogen Activated Protein Kinase) coinvolte nella trasduzione del segnale negli animali. In assenza di etilene la cascata di chinasi
sarebbe attiva e ciò causerebbe l’inibizione della via di risposta all’ormone.
Cosa accade dopo l’inattivazione, mediata dal legame ETR1-etilene, di CTR1?
Etilene
ER
ETR1
CTR1
inattivo
Studi genetici (mutante ein2 = ethylene insensitive) hanno
dimostrato la presenza della proteina EIN2 che agirebbe,
come regolatore positivo del signaling ormonale, a valle di
CTR1.
?
EIN2
Risposta
ON
Che tipo di proteina è EIN2 e come agisce?
Etilene
ER
ETR1
CTR1
inattivo
Il gene EIN2 codifica una proteina con 12
domini transmembrana, somigliante alla
famiglia di proteine trasportatrici di cationi
degli animali dette N-RAMP (Natural
Resistance Associated Macrophage Protein).
La funzione di EIN2 resta sconosciuta.
Un’ipotesi è che possa funzionare come un
canale o un poro, forse a livello della
membrana nucleare .
?
EIN2 (NRAMP?)
Nucleo
Risposta
ON
Mutanti con perdita di funzione
sono insensibili all’etilene: EIN2
funziona da regolatore positivo
nella
via
di
signaling
dell’ormone.
Cosa accade a valle di EIN2?
È suggerita l’esistenza di una
cascata di fattori di trascrizione.
EIN3 e EIL1 si legano al promotore
dei geni ERF1 (Ethylene Response
Factor 1). ERF1 codifica un altro
fattore di trascrizione che si lega ai
geni
di
risposta
all’etilene
favorendone l’espressione.
EIN2 (nucleo)
EIN3/EIL1
EBS
Fattori di trascrizione
ERF1
GCC
Geni di risposta a C2H4
Sommario della via di
trasmissione del segnale
dell’etilene in Arabidopsis
Inibitori della sintesi e del recettore di etilene
Inibitori della sintesi di etilene
Gli inibitori della sintesi di etilene sono:
1. l’acido amminoossiacetico (AOA)
2. l’acido amminoetossivinilglicina (AVG)
Entrambi inibiscono l’attività degli enzimi che hanno come cofattore il piridossalfosfato (PLP). L’ACS è
PLP dipendente.
Composti che bloccano il recettore dell’etilene
Argento (Ag+). Sostituisce il rame del recettore rendendolo insensibile all’etilene. L’argento è somministrato come
AgNO3 o tiosolfato di Ag (Ag2S2O3).
CO2. Alte concentrazioni (5-10 %) impediscono il legame dell’etilene con il suo recettore; inoltre limitano l’attività di ACS
e di ACO e inibiscono la produzione dei relativi mRNA.
Ciclopropeni. Sono composti volatili, che competono col legame dell’ormone col recettore. La Km dell’etilene per il suo
recettore è 36 nl/L; quella dello 1-MCP è 10.7 nl/L. Allora lo 1-MCP è 3x più affine dell’etilene per il recettore.
Effetti dell’etilene sullo sviluppo e
sulla fisiologia delle piante
L’etilene influenza lo sviluppo riproduttivo delle piante:
maturazione del frutto, senescenza del petalo e
determinazione del sesso
La maturazione dei frutti è sotto il controllo ormonale
A seguito dell’impollinazione inizia la
senecenza dei petali, la divisione e la
distensione cellulare delle cellule
dell’ovario per produrre il frutto il quale
andrà incontro alla maturazione.
La maturazione dei frutti è indotta dall’etilene
Auxina
GA
L’etilene controlla una determinata fase della
maturazione che è chiamata “ripening”.
Etilene
Il ripening comprende:
Cambiamenti nella struttura della parete;
Sintesi ed accumulo di pigmenti;
Sintesi di composti aromatici volatili;
Conversione dell’amido in zuccheri solubili.
L’etilene promuove la maturazione dei frutti climaterici
I frutti climaterici presentano durante il ripening un aumento della respirazione, detto picco climaterico
(climaterio dal greco klimacter = scalino). Esso può essere preceduto, concomitante o seguito
dall’aumento della produzione di etilene.
Produzione di etilene e respirazione durante il ripening della banana
I frutti climaterici e non climaterici
Nei frutti climaterici il picco climaterico e il ripening possono avvenire anche se i frutti sono staccati dalla pianta. Nei frutti
non climaterici non c’è il picco climaterico, ma ci sono tutti i cambiamenti caratteristici della maturazione, anche se
avvengono più lentamente. I frutti non climaterici devono essere raccolti maturi perché il processo di maturazione si
interrompe dopo la raccolta. Tutti gli ortaggi sono non climaterici.
L’etilene controlla anche la maturazione dei frutti non climaterici
I frutti non climaterici producono etilene, sebbene ad un tasso inferiore a
quelli climaterici. A cosa serve l’etilene nei frutti non climaterici? Negli
agrumi causa l’abscissione di parte dei frutti immaturi per assicurare
fotoassimilati ai frutti rimasti. La sintesi di etilene è necessaria per la
degradazione della clorofilla (de-greening) e la sintesi dei carotenoidi
Concentrazioni di etilene endogeno
in frutti climaterici e non climaterici
etilene
de-greening
La dimostrazione che l’etilene è coinvolto nel processo di maturazione
dei frutti è stata ottenuta con piante trasformate di pomodoro
In piante antisenso di pomodoro per ACO la sintesi di etilene è parzialmente bloccata. In questi frutti la
maturazione è fortemente rallentata e può essere indotta da un trattamento con etilene esogeno.
Anche nei mutanti never-ripe di pomodoro (mutazione del recettore dell’etilene) la maturazione è
fortemente rallentata.
Never ripe
A sinistra pomodori trangenici con sintesi di etilene parzialmente
bloccata (5% rispetto al wild type) e, a destra, pomodori wild type; tre
settimane di conservazione.
Wild type
Mutanti incapaci di percepire l’etilene producono frutti che non maturano
Aria o
Etilene
Wild type
Recettore
C TR
Molte mutazioni che
influenzano la percezione
dell’etilene ed il signaling
ormonale interferiscono
con il ripening del frutto.
Green-ripe
Never-ripe2
Never-ripe
La regolazione della sintesi di etilene: il sistema I ed il sistema II
Siccome il trattamento con etilene dei frutti climaterici induce i frutti a produrre altro etilene (sintesi
autocatalitica) era stata ipotizzata l’esistenza di due sistemi per la regolazione della sintesi di etilene: il
Sistema I e II.
Il sistema I è presente nei frutti climaterici e non climaterici e nei tessuti vegetativi. È responsabile della
produzione basale di etilene nei frutti e nelle ferite. Risulta inibito dall’etilene endogeno ed esogeno
(autoinibizione).
Il sistema II è presente solamente nei frutti climaterici ed è responsabile della sintesi climaterica e
autocatalitica di etilene.
Sistema I e
Sistema II
Sistema I
Sistema I
L’etilene induce l’espressione dei geni ACS durante il ripening
In pomodoro sono stati isolati 9 geni ACS e 5 geni ACO. L' espressione differenziale dei geni ACS e ACO
durante lo sviluppo ci permette di spiegare il passaggio tra la sintesi di etilene col sistema I
(autoinibitorio) e col sistema II (autocatalitico). Studi sull’espressione dei geni ACS e ACO dimostrano
che la sintesi di etilene è regolata dallo sviluppo del frutto e dall'etilene endogeno ed esogeno.
SAM
ACS
ACC
LEACS6
LEACS1A
LEACS4
Aumento di espressione di
ACS durante lo sviluppo
del frutto (Developmental
regulation)
LE = Lycopersicon esculentum
LEACS2
ACO
Regolazione
positiva:
ripido aumento nella
produzione di etilene
C2 H4
Percezione dell’ormone
I cambiamenti che avvengono durante il ripening dei frutti climaterici
Accumulo di etilene
I cambiamenti che avvengono durante il ripening dei frutti climaterici
Il sapore
I composti chimici responsabili del sapore sono:
a) composti volatili (VOC): sostanze con basso p.m. (<
300 Da) e lipofile, che attraversano liberamente le
membrane e sono rilasciati nell’atmosfera.
b) composti non-volatili: zuccheri dalla degradazione
dell’amido accumulato durante la maturazione, e acidi
organici prodotti con il metabolismo cellulare (ciclo di
Krebs, PEPC e malato deidrogenasi). Gli ac. organici
alterano la percezione degli zuccheri: il citrato maschera
quella di saccarosio e fruttosio; il malato esalta quella del
saccarosio.
limonene
(limone)
carvone
(cumino)
2-metilbutil acetato (mele
Fuji, Gala e Golden)
Il colore
Nei frutti “Green” di pomodoro i principali carotenoidi
sono il β-carotene e la luteina. Con la maturazione le
attività della licopene β-ciclasi (che forma il β-carotene) e
della licopene ε-ciclasi (che con la β-ciclasi forma l'αcarotene e poi la luteina) diminuiscono fortemente con
accumulo di licopene nei cromoplasti.
Il softening
Il softening consiste in modificazioni a carico di
componenti della parete cellulare principalmente per
azione di enzimi. L’idrolisi delle pectine è causata da
poligalatturonasi ed altri enzimi: la loro azione porta alla
degradazione della lamella mediana con la diminuzione
dell’adesione tra le cellule e alla solubilizzazione delle
pectine. Se la lamella mediana è molto degradata il frutto
risulta molle, se è poco degradata il frutto risulta
croccante. Anche le emicellulose subiscono
degradazione enzimatica durante il ripening.
La respirazione
I vegetali, oltre a possedere la tipica respirazione
mitocondriale, posseggono una respirazione cianuroresistente (membrana interna mitocondrio), che si avvale
di un’ossidasi alternativa. Questa, riceve gli elettroni
dall’ubichinolo (UQH2) e li cede direttamente all’O2 senza
funzionare da pompa protonica. Il risultante trasporto
elettronico non interessa i complessi III e IV, ma soltanto
il complesso I. Tutto ciò contribuisce a generare un
debole gradiente protonico e a ridurre la produzione di
ATP.
Il picco climaterico è dovuto ad un forte aumento della
respirazione cianuro-resistente, allo scopo di impedire
l’accumulo di potere riducente che potrebbe portare alla
formazione di ROS nel mitocondrio e quindi innescare
una sequenza di processi ossidativi che potrebbero
danneggiare irrimediabilmente i tessuti dei frutti.
X
Il ripening dei frutti climaterici può essere indotto per trattamento con etilene
I frutti climaterici sono generalmente raccolti allo stadio green e fatti maturare in condizioni controllate di temperatura e
UR e per trattamento con etilene (SIOETIL, una miscela gassosa di etilene e di azoto per assicurare la non
infiammabilità nell’aria). Le banane sono trattate con etilene (20-200 µl/L per 24 h) prima di essere immesse sul mercato.
L’etilene diminuisce la conservabilità dei frutti
I livelli di etilene devono essere tenuti sotto controllo per mantenere i frutti freschi e commercializzabili durante la
conservazione. A tal fine possono essere usate varie strategie e composti chimici. Il ReTain® (principio attivo AVG) e lo
SmartfreshSM (principio attivo 1-MCP) sono usati nella post-raccolta dei frutti climaterici ed in particolare delle banane e
mele.
dopo 5 giorni
Controllo
1-MCP
Strategie per limitare gli effetti dell’etilene durante la conservazione
Atmosfera controllata - alta CO2 o basso O2
Rimozione dell’etilene dall’aria - KMnO4
Interferenza con biosintesi o recettori dell’etilene - ReTain®, SmartfreshSM
Il ripening dei frutti climaterici può essere controllato manipolando la sintesi di
etilene con approcci molecolari
ACC
sintasi
S-adenosil metionina
ACC
ossidasi
ACC
(ac. 1-aminociclopropano-1-carbossilico)
Antisenso per
ACC sintasi
Controllo
H
H
C
C
H
H
Etilene
L’introduzione di un costrutto
antisenso per interferire con
l’espressione degli enzimi della
biosintesi di etilene è un mezzo
efficace per controllare la produzione
dell’ormone.
L’etilene diminuisce la conservabilità dei fiori recisi
L’etilene prodotto dai fiori causa la senescenza dei
petali e rende i fiori commercialmente inutilizzabili.
Il controllo della produzione di etilene per conservare fiori recisi, può essere effettuato somministrando Ag+ (come AgNO3
o Ag2S2O3) che, rimpiazzando il Cu del recettore, blocca il signaling ormonale. L’argento, essendo un metallo pesante,
non può invece essere usato per la conservazione dei prodotti ortofrutticoli. Un altro prodotto utilizzato è l’EthylBlocTM che
rilascia 1-MCP.
Garofani trattati con tiosolfato di
argento (STS) e conservati per 14
giorni
Bustine di EthylBlocTM per il
trasporto di confezioni di
fiori pregiati
L’etilene promuove la fioritura nell’ananas ed in altre Bromeliacee
Il falso frutto dell’ananas è prodotto
per ingrossamento dell’asse della
grande infiorescenza formata da
100-200 fiori.
Una pratica antica era di quella di
accendere dei fuochi vicino alle
piantagioni. Oggi si trattano le piante
con prodotti che liberano etilene per
sincronizzare la fioritura.
L’etilene promuove la determinazione del sesso in Cucumis
Fiori maschili e femminili possono aumentare la
capacità di incrocio e lo stato di salute delle piante.
Ermafrodita
Maschile
Femminile
I geni che influenzano la determinazione del sesso codificano per la ACS
C2H4
C2H4
Pistil
Stamen
Il fiore femminile deriva dall’aborto
del primordio dello stame
Petals
Sepals
La produzione di alti livelli di etilene è correlata con l’arresto
dello sviluppo dei primordi degli stami e la formazione del
fiore femminile.
L’etilene promuove l’epinastia fogliare e l’allungamento in
specie acquatiche sommerse
Epinastia delle foglie
Consiste nella curvatura delle foglie verso il basso a causa della maggiore crescita della parte superiore
del picciolo. È indotta dalla somministrazione di etilene o di alte concentrazioni di auxina. Le condizioni
naturali che causano epinastia sono per lo più riconducibili a stress da sali, da patogeni, da sommersione.
Piante di pomodoro trattate con etilene mostrano evidente epinastia delle foglie
La sintesi di etilene aumenta durante l’ipossia causata da sommersione
Di solito il terreno
presenta spazi tra le
particelle pieni di
aria da cui le radici
delle piante possono
assorbire l’ossigeno.
Quando le radici sono
sommerse non possono
assorbire ossigeno ed
entrano in ipossia.
O2
O2
C2H4
C2H4
C2H4
C2H4
In alcune specie di piante, l’etilene
prodotto
a
seguito
della
sommersione, causa la morte
cellulare o la separazione cellulare
con formazione di aerenchima. Ciò
facilita il passaggio di ossigeno alle
radici sommerse.
L’ipossia induce la ACC
sintasi e quindi la
produzione di etilene.
ACC è trasportato dalle radici alle foglie dove è convertito
in etilene, che induce epinastia
C2H4
In alcune
some plants
specie ACC
di piante
movesprodotto
throughnelle
theradici
l’ACC
into the
shoot lo
èxylem
trasportato
attraverso
where italis fusto
converted
xilema
dove è
to ethylene by
convertito
in ACCetilene
oxidase
dall’ACC ossidasi.
C2H4
ACC
C2H4
L’epinastia
fogliare,
causata dalla crescita
differenziale del picciolo,
riduce
l’assorbimento
C2della
H4 luce nelle foglie.
C2H4
Prevenzione del danno fotoossidativo
Il riso viene coltivato in aree spesso soggette ad allagamenti
Sebbene l’etilene sia noto soprattutto come inibitore della crescita per distensione indotta dall’auxina,
l’ormone è in grado di stimolare la distensione in alcune specie di piante spontanee di ambienti acquatici e
nel riso. In queste specie la sommersione induce la rapida crescita degli internodi o l’allungamento dei
piccioli fogliari in modo che le foglie o le parti aeree restino sopra il livello dell’acqua.
Dopo prolungata sommersione
molte varietà di riso muoiono,
mentre le varietà tolleranti la
sommersione
sopravvivono
utilizzando sia una strategia di
fuga che di quiescenza.
Il riso viene coltivato in aree spesso soggette ad allagamenti
La strategia di fuga coinvolge
la
risposta
all’etilene.
L’etilene stimolerebbe la
crescita degli internodi
aumentando i livelli e la
sensibilità alle gibberelline
endogene nelle cellule dei
meristemi intercalari.
La strategia di quiescenza
coinvolge la risposta alle
gibberelline.
Gibberellin
Ethylene
Nel riso di acque profonde la sintesi di etilene causa
un enorme allungamento degli internodi
Un esemplare
conservato di
riso di acque
profonde
Queste piante possono
crescere fino a 15 metri
di altezza allorché la
risaia è soggetta ad
allagamento.
Riso di acque profonde*
DWR = Deep Water Rice
*È una varietà coltivata in Asia in acqua profonda tra 50 e 100 cm.
Sviluppo del fusto, della radice e della foglia
L’etilene promuove la formazione dell’uncino nelle dicotiledoni
Al buio e in presenza di ostacoli, l’etilene diminuisce la crescita per distensione del fusto e della radice
della plantula
L’etilene prodotto al buio dalla plantula in presenza di ostacoli induce la tripla risposta
C2H4
C2H4
C2H4
Risposta tripla:
1. Ridotta distensione
2. Ingrossamento dell’ipocotile
3. Formazione dell’uncino apicale
Si pensa che sia un adattamento che permette alle plantule (soprattutto di
dicotiledoni) di superare ostacoli naturali.
C2H4
La formazione dell’uncino in plantule cresciute al buio è mantenuta dall’etilene
La formazione ed il mantenimento dell’uncino è causato dalla crescita asimmetrica per distensione indotta dall’etilene:
si allunga di più il lato esterno del fusto rispetto a quello interno. In Arabidopsis è stato identificato il gene HOOKLESS
la cui mutazione origina plantule prive di uncino. Il gene HOOKLESS codifica per un enzima (acetilasi) che stabilizza
un fattore di trascrizione (ARF2) che si lega ai promotori dei geni regolati dalle auxine.
ARIA
Etilene
HOOKLESS
ETILENE
(enzima acetilasi)
ARF2
(fattore di trascrizione)
Crescita differenziale IAA indotta
L’etilene promuove la formazione di peli radicali e di radici avventizie
L’etilene promuove la senescenza fogliare
Piante di
betulla
WT
etr1
La pianta etr1 è stata trasformata col gene
mutato di Arabidopsis. Entrambe le piante sono
fumigate con etilene 50 ppm per tre giorni.
(etr = ethylene-resistant)
Alla fine dell’ottocento le lampade delle case utilizzavano gas
illuminante; le piante erano danneggiate dall’etilene derivante dalla
combustione del gas. Aspidistra (Convallariaceae) è una pianta
resistente all’etilene e divenne molto diffusa in quel periodo proprio per
la sua capacità di resistere all’ormone.
La formazione dello strato di abscissione
Lo strato di abscissione è prodotto in un sito specifico del picciolo:
il punto di attacco sul fusto. Le cellule di questo strato producono
enzimi che idrolizzano la parete, il protoplasto si rigonfia, spinge i
vasi xilematici rompendoli. La foglia sotto il suo peso e per azione
del vento cade.
L’abscissione fogliare è controllata dall’etilene e dall’auxina
Risposte ai patogeni
L’etilene media alcune risposte di difesa delle piante
Il tabacco insensibile all’etilene ha un sistema di difesa danneggiato
Piante transgeniche che esprimono il gene
mutante dominante ETR1 mancano di
resistenza ai funghi che sono normalmente
presenti nel suolo.
Mutanti di ordine superiore di ACS sono più suscettibili ai patogeni.
L’etilene è richiesto nelle risposte di difesa verso ferite o patogeni
Piante che non producono o non
rispondono all’etilene sono incapaci di
sintetizzare un inibitore di proteinasi (pin2).
Piante antisenso per ACO
Ore dopo la ferita
Ferita
Nessun
trattamento
Ferita + Ag tiosolfato
Sia l’etilene che l’acido jasmonico sono necessari per le risposte di difesa
PDF1.2 è un gene di difesa che
necessita sia di etilene che di
jasmonato per l’induzione (coi1
è un mutante insensibile al
jasmonato).
L’etilene insieme al jasmonato regola
l’espressione dei geni correlati alla difesa.
