L etilene è un ormone gassoso con diverse funzioni

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1 Etilene La scoperta

2 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

3 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.

4 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.

5 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 CO 2 (respirazione).

6 Etilene Struttura e biosintesi

7 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 CO 2. 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 (~ 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.

8 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).

9 L enzima ACS

10 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.

11 In Arabidopis ACS è codificato da 9 geni ed è un dimero Type I Type III I prodotti della famiglia genica ACS possono generare potenzialmente 45 tra omodimeri ed eterodimeri. Tuttavia solo 25 sono funzionanti. Type II Type I Type II Type III S S S S S 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.

12 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.

13 Controllo post-traduzionale dell attività di ACS

14 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). ARIA Wild Type ETILENE eto1 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.

15 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 WT eto1 Nel mutante eto1 l isoenzima ACS5 è selettivamente stabilizzato. Conclusione: la sintesi di etilene aumenta. ACS5 -tub Proteasoma 26S ACS inattivata

16 Altri due mutanti, eto2 e eto3, mostrano isoenzimi ACS5 o ACS9 più stabili Stabilità di ACS5 nel tempo min 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.

17 Gli isoenzimi ACS sono normalmente soggetti a rapida proteolisi Traduzione ACS ETO1 Degradazione da parte del proteasoma 26S Di norma gli isoenzimi ACS sono continuamente sintetizzati e degradati, mantenendo in questo modo ridotti livelli di etilene nella pianta. CUL3

18 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 Tipo I P P S S S S P Tipo II Tipo III P S Bersaglio di CDP chinasi

19 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 Tipo I Tipo II S S S S P S P P P FERITE, ATTACCO DI PATOGENI Tipo III CDP chinasi ATP STRESS ABIOTICI, ALTRI ORMONI

20 Riassunto - Sintesi di etilene e omeostasi Biosintesi di Etilene SAM ACC ACS ACO Gli isoenzimi di ACS sono resi più stabili se la pianta è ferita ecc. C 2 H 4 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.

21 I recettori per l etilene

22 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. Nessuna risposta all etilene ossia insensibilità all ormone Tripla risposta normale

23 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 Ethylene-insensitive mutants etr1 etr2 ein4 ein2 ein3 ein5 ein6 Wild type C 2 H 4 Classe 2: mutanti con risposta costitutiva Presentano sempre la tripla risposta in assenza di etilene (aria). ctr = constitutive triple response Constitutive-response mutants ctr1 aria

24 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 GAF istidina chinasi ricevente Il recettore ETR1 H D

25 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. NH 2 ETR1 Dominio di legame dell etilene GAF HK ricevente H D lume citosol 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).

26 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

27 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 C (ctr)

28 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 Cu 2+ (Fig. A). L etilene si lega al Cu 2+ 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.

29 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.

30 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)

31 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.

32 Cosa accade dopo l inattivazione, mediata dal legame ETR1-etilene, di CTR1? Etilene ER ETR1 CTR1 inattivo? EIN2 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. Risposta ON

33 Etilene CTR1 inattivo ER ETR1 Che tipo di proteina è EIN2 e come agisce? 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.? Nucleo Risposta ON EIN2 (NRAMP?) Mutanti con perdita di funzione sono insensibili all etilene: EIN2 funziona da regolatore positivo nella via di signaling dell ormone.

34 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 Fattori di trascrizione EBS ERF1 GCC Geni di risposta a C 2 H 4

35 Sommario della via di trasmissione del segnale dell etilene in Arabidopsis

36 Inibitori della sintesi e del recettore di etilene

37 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 AgNO 3 o tiosolfato di Ag (Ag 2 S 2 O 3 ). CO 2. 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.

38 Effetti dell etilene sullo sviluppo e sulla fisiologia delle piante

39 L etilene influenza lo sviluppo riproduttivo delle piante: maturazione del frutto, senescenza del petalo e determinazione del sesso

40 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 Etilene L etilene controlla una determinata fase della maturazione che è chiamata ripening. Il ripening comprende: Cambiamenti nella struttura della parete; Sintesi ed accumulo di pigmenti; Sintesi di composti aromatici volatili; Conversione dell amido in zuccheri solubili.

41 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

42 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

43 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 Wild type 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.

44 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

45 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

46 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. Regolazione positiva: ripido aumento nella produzione di etilene ACS ACO SAM ACC C 2 H 4 Percezione dell ormone LEACS6 LEACS1A Aumento di espressione di ACS durante lo sviluppo del frutto (Developmental regulation) LE = Lycopersicon esculentum LEACS4 LEACS2

47 I cambiamenti che avvengono durante il ripening dei frutti climaterici Accumulo di etilene

48 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. 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. limonene (limone) carvone (cumino) 2-metilbutil acetato (mele Fuji, Gala e Golden)

49 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 (UQH 2 ) e li cede direttamente all O 2 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

50 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 ( 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 Smartfresh SM (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 CO 2 o basso O 2 Rimozione dell etilene dall aria - KMnO 4 Interferenza con biosintesi o recettori dell etilene - ReTain, Smartfresh SM

51 Il ripening dei frutti climaterici può essere controllato manipolando la sintesi di etilene con approcci molecolari S-adenosil metionina ACC sintasi ACC (ac. 1-aminociclopropano-1-carbossilico) ACC ossidasi H H C C Etilene H H Antisenso per ACC sintasi Controllo 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.

52 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 AgNO 3 o Ag 2 S 2 O 3 ) 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 EthylBloc TM che rilascia 1-MCP. Garofani trattati con tiosolfato di argento (STS) e conservati per 14 giorni Bustine di EthylBloc TM per il trasporto di confezioni di fiori pregiati

53 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 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.

54 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 Pistil C 2 H 4 C 2 H 4 Stamen Petals Sepals Il fiore femminile deriva dall aborto del primordio dello stame La produzione di alti livelli di etilene è correlata con l arresto dello sviluppo dei primordi degli stami e la formazione del fiore femminile.

55 L etilene promuove l epinastia fogliare e l allungamento in specie acquatiche sommerse

56 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

57 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. O 2 Quando le radici sono sommerse non possono assorbire ossigeno ed entrano inipossia. O 2 C 2 H 4 L ipossia induce la ACC C 2 H 4 sintasi e quindi la produzione di etilene. C 2 H 4 C 2 H 4 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.

58 ACC è trasportato dalle radici alle foglie dove è convertito in etilene, che induce epinastia C 2 H 4 C 2 H 4 In alcune some plants specie ACC di piante moves l ACC prodotto through nelle the radici xylem è trasportato into the attraverso shoot lo where xilema it al is fusto converted dove è to convertito ethylene by in ACC etilene oxidase dall ACC ossidasi. ACC C 2 H 4 L epinastia fogliare, causata dalla crescita differenziale del picciolo, riduce l assorbimento C2H4 C 2 della H 4 luce nelle foglie. Prevenzione del danno fotoossidativo

59 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.

60 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

61 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.

62 Sviluppo del fusto, della radice e della foglia

63 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 C 2 H 4 C 2 H 4 C 2 H 4 C 2 H 4 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.

64 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 (enzima acetilasi) ETILENE ARF2 (fattore di trascrizione) Crescita differenziale IAA indotta

65 L etilene promuove la formazione di peli radicali e di radici avventizie

66 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.

67 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

68 Risposte ai patogeni

69 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.

70 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 Nessun trattamento Ferita Ferita + Ag tiosolfato

71 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.