17) Lezione Etilene

Lezione 17. Etilene

Gli effetti negativi dell'etilene

Gli effetti negativi dell'etilene furono già evidenziati nel 1800, quando i lampioni delle strade andavano a gas, e tra questi gas c'era anche l'etilene. Gli alberi in prossimità di questi lampioni perdevano le foglie, e si evidenziava vicino a questi alberi uno sviluppo alterato. Nel 1901 un dottorando russo isolò l'etilene e capì che l'etilene era il gas responsabile degli effetti negativi sulle piante, e cioè:

• Sviluppo alterato
• Perdita delle foglie

Mise all'interno del laboratorio alcune piante, ed il laboratorio non lo arieggiò, ed inserì all'interno del laboratorio, per tutta la notte, dell'etilene (gas). La mattina del giorno seguente, quando arrivò, le piante che aveva lasciato nel laboratorio iniziavano a perdere le foglie, e se queste piante venivano lasciate per giorni all'interno del laboratorio, queste mostravano uno sviluppo alterato. Concluse, perciò, che era l'etilene il gas responsabile degli effetti negativi sulle piante.

Tutte le case all'inizio del 1900 erano illuminate a gas, e tutte le piante che si trovavano all'interno degli appartamenti mostravano e crescevano male, con uno sviluppo alterato. L'unica pianta che all'inizio del 1900 è riuscita ad essere una pianta d'appartamento è l'Aspidistra che è resistente all'etilene, ed è diffusa ancora oggi come pianta d'appartamento, proprio perché non è sotto l’azione dell’etilene.

Scoperte sull'etilene nel trasporto di frutta

Nel 1910 un carico di banane, che doveva essere portato a destinazione, fu messo insieme a delle arance. Le banane per essere trasportate qui in Europa, dovevano essere non mature, altrimenti non sarebbero arrivate sui banchi. Queste banane furono conservate insieme a delle arance. Quando il carico era arrivato a destinazione, tutte le banane avevano raggiunto la maturazione, e quindi queste non sono state più vendute. Hanno così capito che il responsabile della maturazione delle banane fosse stata l'arancia, perché si sentiva sull’arance un odore acre dell'etilene, e di conseguenza hanno pensato che le arance producessero l'etilene, che portava a maturazione le banane. Questo poi si è scoperto che non era vero, perché le arance non rispondono all'etilene, però erano infette da un fungo il Penicillium. Il penicillium attiva altissime quantità di etilene, e quindi era il fungo contenuto sulle bucce dell'arancia, ad attivare la biosintesi dell'etilene, e quindi ad attivare la maturazione delle banane.

Identificazione dell'etilene nelle piante

Nel 1934 ci fu la prima identificazione dell'etilene nelle piante. L'etilene è prodotto sia dalle gimnosperme, sia dalle felci, sia dai cianobatteri, sia dai funghi, sia dai batteri, e logicamente dalle angiosperme. Infatti nel 1934 l'etilene, in laboratorio, fu purificato da mele mature, e l'etilene fu classificato come un ormone naturale delle piante.

Purtroppo la scarsa sensibilità dei metodi che c'erano a quel tempo rendeva difficile rilevare anche piccoli cambiamenti nella concentrazione di etilene, e soprattutto nella produzione, e questo si è visto nell'avocado. L'avocado risponde all'etilene, ma produce piccolissime quantità, perché l'etilene non è prodotto in altissime quantità, quindi con metodi rudimentali non è possibile dosare questo gas, e quindi studi di laboratorio avevano capito che l'etilene era responsabile di alcuni effetti, che poteva esser un ormone, ma non si riusciva a capire la quantità di etilene che veniva prodotto, anche perché avevano utilizzato l'avocado durante la maturazione.

La gas-cromatografia

Questo cambiò completamente nel 1959, perché in quell'anno venne introdotta la gas-cromatografia per la rilevazione dell'etilene. La gas-cromatografia era, all'inizio, un milione di volte più sensibile rispetto a tutti i metodi usati per il dosaggio dell'etilene, e quindi si poté dimostrare, grazie alla gas-cromatografia, che la produzione di etilene era non solo interessata durante la maturazione dei frutti, ma era temperatura dipendente, cioè all’aumentare della temperatura aumentava la produzione dell'etilene.

Biosintesi dell'etilene

La biosintesi dell'etilene è stata scoperta dopo il 1970, è stato difficilissimo capire come fosse prodotto l'etilene. L’etilene è un ormone prodotto da molti tessuti, ed i principali tessuti di sintesi, sono rappresentati da:

• Meristemi
• Regioni nodali

È stato difficilissimo capire la biosintesi dell'etilene perché non si conosceva il precursore, cioè nessuno prima del 1974/75 riusciva a capire quale fosse il precursore dell'etilene. L'etilene veniva prodotto dalle piante, si era capito che veniva prodotto nelle regioni nodali, e a livello dei meristemi, ma nessuno aveva capito quale fosse il precursore dell’etilene, finché Yang ha scoperto il ciclo della metionina e si è capito che il precursore dell'etilene è la metionina.

La metionina ha un gruppo S, e quindi si è capito che questo gruppo S-adenosil metionina, veniva riciclato grazie al ciclo di Yang, per poi riformare il composto di partenza. Si parte dalla metionina, che grazie all'AdoMet sintasi, si arriva ad un composto, chiamato S-adenosil metionina (AdoMet).

A questo punto l'AdoMet sotto azione di uno degli enzimi più importanti nella sintesi dell'etilene, l'ACC sintasi, si ha la produzione di un composto, l’acido 1-aminociclopropanocarbossilico (ACC). La presenza dell'ACC è essenziale per l'attivazione di un secondo enzima nella biosintesi dell'etilene, che è l’ACC ossidasi, un enzima regolatore, che non è importante quanto l'ACC sintasi.

A questo punto dall'acido 1-aminociclopropanocarbossilico, grazie all'enzima ACC ossidasi, che è ossigeno dipendente, ha bisogno di ossigeno, e se non c'è ossigeno non avviene la biosintesi dell'etilene, si ha la formazione dell’etilene, cioè l'acido 1-aminociclopropanocarbossilico viene ossidato, dall'ACC ossidasi, ad etilene.

Quindi la metionina, grazie all’AdoMet sintasi, abbiamo l'S-aldenosil metionina, o AdoMet. Sull'AdoMet agisce l'ormone chiave della biosintesi dell'etilene, che è l'ACC sintasi. L'ACC sintasi è il promotore della biosintesi dell'etilene, è l'enzima chiave, perché va a regolare tutta la biosintesi dell'etilene, non è l'ACC ossidasi, in quanto ci sono degli inibitori che bloccano la via di biosintesi dell'ACC, perché competono con il sito di legame sull'enzima, ma l'enzima è regolato ed attivato dalla maturazione del frutto, dalla senescenza fogliare, dall'indolacetico (IAA).

Alte concentrazioni di indolacetico influenzano l'ACC sintasi, per cui l’ACC sintasi è sotto azione di un altro ormone, che è l'indolacetico. La ferita, lo stress da freddo, quindi le basse temperature, l'allagamento, sono tutti stress, e sono risposte fisiologiche che attivano l'ACC sintasi, quindi se non viene attivata l'ACC sintasi, non si ha biosintesi dell'etilene. A questo punto si ha il composto ACC, che grazie all'ossidasi, in presenza di O₂, si ha la formazione di etilene.

L’aerenchyma durante l’allagamento, forma soltanto l'ACC, e soltanto se ci sono condizioni di anossia, l’etilene non si forma, perché l'ACC ossidasi non si forma. Se invece abbiamo condizioni di ipossia, con un minimo di ossigeno, si ha al livello delle radici, che sono allagate, si forma l'etilene, e l'etilene attiva in alcune piante (mais), la formazione dell’aerenchyma, e quindi possono sopravvivere a condizioni di allagamento.

Regolazione della sintesi dell'etilene

Ado Met → ACC (acido 1-aminociclopropanocarbossilico), è il passaggio limitante, perché è l'enzima chiave della biosintesi. L’ACC sintasi è un enzima citosolico estremamente instabile, è difficile rilevarlo. È stato isolato da tessuti e in piante diverse. È presente in bassissime concentrazioni. La concentrazione è regolata da altri ormoni, come l'auxina e dagli stress ambientali.

È una famiglia multigenica: il pomodoro, che è una pianta modello nello studio della maturazione del frutto, e quindi dell'etilene, sono stati isolati 9 geni per l'ACC sintasi; in arabidopsis ci sono 8 sottogruppi di geni, che sono sensibili, e sono indotti in maniera completamente diversa, e possono essere indotti dall'auxina, dalla maturazione e dalla ferita.

ACC → ACC ossidasi (richiede O₂) → etilene. L'ACC ossidasi è l'enzima che catalizza l'ultima tappa della biosintesi dell'etilene, richiede ossigeno, in quanto l'ACC ossidasi non funziona se non c'è ossigeno. Quindi se siamo in condizioni di anerobiosi, non c'è assolutamente produzione di etilene, si ferma all'ACC, non funziona l'enzima.

È una famiglia multigenica quella dell'ACC ossidasi. È regolata in maniera differenziale, ed appartiene alla superfamiglia delle ferro-ascorbato ossidasi. Quindi la sintesi dell’etilene è influenzata da diversi fattori, interni ed esterni, quali:

• Stato di sviluppo della pianta, maturazione e senescenza, importante è l'auxina.
• Stress, è uno stress sia da ferita, sia da patogeni, sia da stress abiotici, che possono essere: l'allagamento, la siccità, o il gelo.
• Ritmi circadiani, dal picco diurno.

Si è visto che c'è una altissima concentrazione di etilene durante il giorno, quindi ritmo circadiano, quindi il fitocromo, hanno un’azione importante sulla biosintesi dell'etilene. La produzione di etilene è regolata, solo ed esclusivamente, dai livelli di ACC sintasi. Se è l'enzima chiave nella biosintesi dell'etilene, è chiaro che i livelli dell'ACC sintasi, sono importanti nella biosintesi dell'etilene, perché se abbiamo bassissimi livelli, se è regolato verso il basso l'enzima, non si ha la produzione di etilene, perché già è difficile da rilevare, in quanto si trova normalmente a bassissime concentrazioni. Ma se queste concentrazioni arrivano al di sotto della soglia limite, e stiamo parlando dell'ordine delle picomoli, quindi è bassissima la concentrazione di ACC sintasi, non si regola la biosintesi dell'etilene.

L'ACC sintasi è regolata come da 9 geni, e questo è il pomodoro, con differenti profili di espressione. Quindi a seconda di come sono regolati i profili di espressione, si ha l'attivazione dell'enzima. La cosa importante dell'ACC sintasi, è che l'ACC sintasi è soggetta a regolazione post-traduzionale, e se non ci sono le regolazioni post-traduzionali, non funziona.

L'omeostasi dell'ACC è data dalla sua biosintesi, e quindi è regolata dall’espressione e dalla stabilità dei due enzimi: ossidasi (ACCO) e sintasi (ACCS). Le attività dell'ACCS e dell'ACCO sono strettamente regolate trascrizionalmente e post-traduzionalmente, e sono sensibili agli stress ambientali, allo stadio di sviluppo, ed ai patogeni. Quindi hanno una regolazione estremamente importante, sia da un punto di vista trascrizionale, che post traduzionale, soprattutto l'ACCS, e sono sensibili poi ai cambiamenti ambientali, e quindi sono sotto azione di stress di tipo abiotico, e biotico nei patogeni, ma non è ormone. L'etilene per quanto riguarda i patogeni non viene visto come ormone, ma come molecola segnale nell'attivazione dei geni di difesa.

Inibitori della sintesi dell'etilene

Gli inibitori della sintesi dell’etilene, sono:

• AVG (amminoetossivinilglicina)
• AOA (acido amminoossiacetico)
• Co²⁺, è un inibitore della conversione di ACC in etilene.

AVG ed AOA bloccano la conversione dell’AdoMet in ACC. Questi sono gli inibitori della sintesi dell'etilene, perché competono con l'ACCS.

Inibitori dell'azione dell'etilene

Gli inibitori dell’azione dell’etilene, sono l'Ethyl-block, che hanno un'azione importante, in quanto vengono usate tantissimo nell'orticoltura, perché sono gli inibitori dell'azione dell'etilene, quindi inibiscono l’azione dell’etilene. Abbiamo il caso degli inibitori della sintesi, quindi non abbiamo sintesi di etilene. Nel secondo caso, quando si usa l'ethyl-block, l'etilene è stato prodotto, però viene spruzzato per bloccare l'azione dell'etilene, quindi l'etilene non agisce sui frutti.

Ossidazione dell'etilene

Come può avvenire la degradazione dell’etilene? Possiamo avere un’ossidazione parziale dell'etilene, e si ha la formazione di ossido di etilene, che può essere idrolizzato a glicole etilenico. Ma possiamo avere un’ossidazione completa dell’etilene, fino ad arrivare alla formazione di CO₂. Quindi può essere ossidato parzialmente o totalmente: parzialmente abbiamo ethylene glycol e ossido di etilene, totalmente abbiamo anidride carbonica.

Effetti fisiologici dell'etilene

Quali sono le risposte della pianta all’etilene? Abbiamo che va in qualche modo ad alterare, o ad attivare, lo:

• Sviluppo vegetativo
• Sviluppo riproduttivo
• Risposte all’allagamento
• Risposte ai patogeni

Per quanto riguarda lo sviluppo vegetativo, l'azione dell'etilene...