Appunti esame fisiologia vegetale

La degradazione dell'etilene mediante ossidazione

μLL'etilene viene degradato mediante ossidazione. L'ossidazione può essere completa fino a produrre anidride carbonica. All'inizio non si sapeva se fosse l'etilene a provocare la maturazione dei frutti o se fosse il frutto maturo a produrre etilene. Con l'affinamento delle tecniche si è visto che il picco di etilene precede il picco della respirazione tipico della maturazione del frutto. Quindi, prima si verifica la produzione di etilene e poi si verifica la maturazione del frutto.

I frutti sono divisi in frutti climaterici e non climaterici. I frutti climaterici continuano a sintetizzare etilene e quindi a maturare anche dopo essere stati raccolti e quindi staccati dall'albero. I frutti non climaterici invece non sintetizzano etilene dopo essere stati raccolti. È per questo che frutti di questo tipo vengono posizionati in prossimità di frutti che sintetizzano etilene in modo che l'etilene sintetizzato possa far maturare.

Sia i frutti climaterici sia quelli non climaterici. Frutti climaterici sono banane, pesche, mele, kiwi, pere, meloni, pomodori, kaki, albicocche, avocado, olive, fichi. Frutti non climaterici sono uva, limone, ananas, cocomero, ciliegie.

Burg e Thimann fecero una scoperta chiave riguardo alla produzione di etilene. I due scienziati misero una mela in un recipiente ermetico per 4 ore e andarono a misurare la produzione di etilene. Fecero la stessa cosa con un'altra mela chiusa questa volta in un contenitore senza ossigeno. Quando aprirono il contenitore arrivò l'ossigeno. La concentrazione di etilene era molto più alta. Nelle cellule prive di ossigeno si accumulava infatti un precursore dell'etilene che all'aria veniva di colpo convertito in etilene. Un precursore dell'etilene ha quindi necessità di ossigeno per essere convertito in etilene. Il composto precursore di cui si parla è l'acido aminociclopropan-carboxylico.

(ACC). L'etilene viene sintetizzato a partire dalla metionina. Dalla metionina si ottiene S-adenosilmetionina grazie all'enzima S-adenosilmetionina sintasi. Dall'S-adenosilmetionina si ottiene l'acido aminociclopropan-carboxylico grazie all'enzima acidoaminociclopropan-carboxylico sintasi. Dall'acido aminociclopropan-carboxylico si ottiene etilene grazie all'enzima acido aminociclopropan-carboxylico ossidasi con scarto di anidride carbonica e HCN. Della metionina attaccata all'adenosina resta il tiolo. Tutto il resto dell'amminoacido va a formare l'acido aminociclopropan-carboxylico. Il tiolo deve essere recuperato. Nel momento in cui si stacca il composto ACC quello che resta viene inserito in un ciclo che prende il nome di ciclo di Yang. Questo ciclo ha lo scopo di recuperare la metionina. I due enzimi chiave, ossia l'acido aminociclopropan-carboxylico sintasi (ACS) e l'acido aminociclopropan-carboxylico ossidasi (ACO)

Sono rari e instabili. Isolare queste proteine e i rispettivi geni richiese molto lavoro e impegno.

L'ACC sintasi è codificata da 9 geni con diverse funzioni e pattern di espressione. Alcune proteine ACS sono fortemente regolate da modificazioni post-trascrizionali. L'ACC sintasi funziona come dimero. Il subset di geni espressi di volta in volta nelle cellule determina i tipi di dimeri di ACS che si formano e regola il tasso di sintesi dell'etilene.

Sono stati identificati vari mutanti contenenti 5, 6, 7, 8 mutazioni a carico di geni dell'ACS. Questi mutanti vengono nominati pentupli, esupli, eptuli, octupli a seconda del numero di mutazioni. Il numero di mutazioni ha un effetto sul tempo di fioritura. Infatti, con l'aumento del numero di mutazioni il bolting e quindi la fioritura viene anticipata. Mutanti plurimi di ACS fioriscono prima. Quindi, se impedisco la produzione di etilene introducendo mutazioni allora riesco ad anticipare la fioritura.

L'etilene normalmente ritarda la fioritura. I geni dell'ACS non sono ridondanti altrimenti non si osserverebbe una differenza nei tempi di fioritura dei diversi mutanti. Infatti, il mutante octuplo non presenta un anticipo nella fioritura.

Il numero di mutazioni ha anche un effetto sulla sensibilità ai patogeni. Infatti, mutanti plurimi che non riescono a sintetizzare etilene sono più sensibili ai patogeni. Un mutante che manca di tutti i 9 geni ACS non è vitale. L'etilene è quindi necessario per la sopravvivenza della pianta.

Ci sono controlli post-trascrizionali dell'attività di ACS. Un controllo post-trascrizionale dell'enzima ACS è stato scoperto grazie al mutante eto1 (ethylene-overproducer). Il mutante eto1 mostra la risposta tripla anche in presenza di aria e quindi in assenza di etilene. Questi mutanti infatti producono tantissimo etilene. ETO1 è un componente del complesso ubiquitina-ligasi.

l'F-box) che ha come proteinatarget l'ACS. La modificazione di ETO1 non permette più il legame di ACS che quindi nonottiene più la sua coda di ubiquitina e non viene più degradata. L'ACS restadrammaticamente stabile e si ha quindi una sintesi eccessiva di etilene.

Un altro modo per stabilizzare ACS è fosforilare le serine presenti all'estremità C-terminale. In questo modo l'ACS non viene più degradata proteoliticamente in quanto èimpossibilitato l'attacco al componente ETO1 del complesso dell'ubiquitina-ligasi.

Le piante preferiscono sintetizzare l'enzima ACS e degradarlo e semmai smettere didegradarlo nel momento in cui arriva il patogeno piuttosto che non sintetizzarlo affatto.

La regolazione per proteolisi è una regolazione che permette risposte rapide. Nelmomento in cui arriva il patogeno devono già essere pronti gli enzimi. La pianta quindispende energia per sintetizzare e

degradare l'enzima per averlo sempre a disposizione efa ciò per garantire una rapida risposta nel momento in cui arrivino eventuali patogeni. I mutanti hanno aiutato gli scienziati a identificare geni mutati coinvolti nella risposta all'etilene. In particolare, hanno osservato 2 tipi di mutanti. Uno di questi mutanti era etilene-resistente ossia non mostrava la risposta tripla pur essendoci etilene mentre l'altro mutante mostrava risposta tripla in aria e quindi in assenza di etilene. Grazie al mutante etilene-resistente fu identificato il gene etr1 (ethylene response1) che codifica per il recettore dell'etilene. La proteina ETR1 fu la prima proteina ad essere stata identificata in modo certo come recettore di un fitormone (1993). ETR1 ha un dominio che attraversa varie volte la membrana e che contiene il sito di legame per l'etilene, poi ha un dominio istidin chinasico e un dominio ricevitore. Il recettore dell'etilene forma un dimero. In assenza di

etilene il recettore ha una conformazione chiusa e spegne la risposta all'etilene. Quindi, in assenza di etilene il recettore media la repressione della risposta all'etilene. In presenza di etilene, l'etilene si lega al recettore e il recettore cambia conformazione assumendo una conformazione aperta. In questo caso si ha la risposta all'etilene. Se muto il recettore a livello del sito di legame dell'etilene avrò una risposta etilene-insensibile come quella del mutante che non presenta risposta tripla anche in presenza di etilene. Un recettore che spegne sempre il segnale è dominante quindi basta una sola mutazione a carico di un recettore che spegne la risposta al segnale e quella mutazione vince. Quindi, se applico una sola mutazione a ETR1 allora ETR1 non lega più etilene e continua a spegnere la risposta.

Esistono varie sottofamiglie del recettore ETR1 che variano per esempio a seconda delle parti intermembrana che hanno.

I recettori mutanti

Dell'etilene sono stati identificati in varie specie. I frutti che anche seesposti a etilene non maturano sono frutti che presentano un fenotipo etilene-resistente. Questi fenotipi sono stati chiamati never ripe. In questi fenotipi è mutato il recettore dell'etilene. Il recettore mutato è dominante e spegne sempre la riposta all'etilene.

ETR1 interagisce con un'altra proteina detta Gr che in qualche modo coadiuva ETR1. Il mutante che mostra risposta tripla in aria anche in assenza di etilene ha permesso di identificare il gene ctr1 che codifica per la proteina CTR1. La proteina CTR1 interagisce con il recettore ETR1. In assenza di etilene il recettore ha una conformazione chiusa e posiziona CTR1 in modo tale che abbia un'attività di repressore. Nel momento in cui arriva l'etilene il dimero si apre e CTR1 cambia conformazione inattivandosi. A questo punto la repressione della risposta all'etilene non è più in atto e si

osserva il fenotipo del wild type quindi la risposta tripla e la maturazione laddove c'è etilene. CTR1 agisce su una serie di altre proteine. A valle del repressore CTR1, c'è probabilmente EIN2 o altri fattori che poi diventano nucleari e attivano i geni tipici della risposta all'etilene. L'etilene è quindi coinvolto nella risposta tripla, è essenziale nella germinazione dei semi che trovano piccoli ostacoli. L'auxina è richiesta per gli effetti dell'etilene nella radice. Inoltre, l'etilene è implicato nella determinazione del sesso dei fiori. In alcuni fiori l'etilene inibisce i primordi degli stami ma non del pistillo. In questo modo si forma un fiore solo femminile. I primordi del pistillo hanno tantissimi recettori per l'etilene mentre i primordi degli stami hanno pochi recettori per l'etilene. Quindi, quando il fiore produce l'etilene, l'etilene andrà a saturare tutti i recettori del pistillo e inibire la formazione degli stami.promuove la senescenza dei petali e delle foglie. L'etilene viene prodotto in seguito all'impollinazione. La concentrazione di etilene aumenta e in corrispondenza del picco di etilene si osserva il fenomeno della senescenza dei petali. Ai fini commerciali, l'eliminazione di etilene e quindi approcci chimici e genetici permettono una maggiore longevità dei petali. Esistono delle polveri che assorbono etilene in modo che la senescenza dei petali venga rallentata e i fiori durino più a lungo. Il mutante etr1, insensibile all'etilene, non presenta senescenza dei petali anche dopo diversi giorni dall'impollinazione. L'etilene ha un ruolo importante nella crescita e nello sviluppo dei fiori. Stimola la formazione dei primordi degli stami ma non satura tutti i recettori sui primordi del pistillo. I primordi degli stami con i recettori saturi di etilene risponderanno in modo da bloccare una ulteriore crescita. I primordi del pistillo con i recettori non saturi di etilene risponderanno in modo da promuovere la crescita.nduce la maturazione dei frutti. La maturazione consiste in cambiamenti nella struttura della parete, in accumulo di pigmenti e sostanze aromatiche, e nella perdita di acidità. Durante questo processo, i frutti diventano più dolci, più succosi e acquisiscono il loro colore caratteristico. La maturazione è influenzata da vari fattori, tra cui la temperatura, l'umidità, la luce e la presenza di etilene, un gas prodotto naturalmente dai frutti stessi. L'etilene è responsabile dell'avvio e del controllo del processo di maturazione, e può essere utilizzato anche artificialmente per accelerare la maturazione dei frutti.