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Tema 28 Etileno 1. Etileno: El etileno es un gas en condiciones normales de y temperatura. Es una fitohormona que en concentraciones muy bajas (0 regulando y coordinando numerosos procesos del crecimiento y desarrollo de las plantas. La velocidad de del etileno en los tejidos vegetales es muy baja, ...

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1. Etileno: Introducción El etileno es un gas en condiciones normales de presión y temperatura. Es una fitohormona que actúa en concentraciones muy bajas (0.01 μl/l). Actúa regulando y coordinando numerosos procesos del crecimiento y desarrollo de las plantas. La velocidad de producción del etileno en los tejidos vegetales es muy baja, pero durante determinadas fases del desarrollo se produce un incremento de su producción: - en emergencia de las semillas - al inicio de floración y fructificación - durante la maduración de ciertos frutos - en el marchitamiento de flores - en la senescencia y abscisión de hojas También se incrementa su producción frente a condiciones ambientales adversas: - infección por patógenos - lesiones - deficiencia o exceso de agua - bajas temperaturas Este incremento de etileno parece que actúa como señal reguladora de las distintas respuestas fisiológicas. Debido al importante efecto de esta hormona en la maduración de frutos, senescencia de flores y abscisión, los primeros estudios se concentraron en estos procesos, pero la actividad del etileno afecta a otros muchos. La naturaleza gaseosa del etileno le confiere ciertas ventajas especiales como regulador del desarrollo de plantas. Su capacidad de difusión por los espacios intercelulares permite alterar su concentración interna en los tejidos simplemente por cambios en su velocidad de síntesis. Además, puede actuar como señal ante una alteración externa impuesta en otros lugares de la planta, coordinando una respuesta rápida y uniforme.

2. Descubrimiento del etileno como fitohormona El etileno ya fue usado en la práctica desde el antiguo Egipto, en donde se trataban con gas los higos para estimular su maduración. En la antigua China se quemaba incienso en locales cerrados para incrementar la maduración de las peras. En el siglo XIX en Alemania, se demostró que el gas que se perdía desde las lámparas de gas era el principal causante de la defoliación que ocurría en los árboles que se encontraban en las calles. Como el gas comenzó a usarse de modo intensivo para la iluminación de las calles, este fenómeno fue registrado por muchos investigadores. En 1878 Wiesner observó que las plantas que crecían en su laboratorio de noche lo hacían horizontalmente, con diageotropismo (en dirección perpendicular al vector de la gravedad) en vez de ortogeotropismo (en la misma dirección del vector de la gravedad).

2/9 En 1901 Neljubov demostró que la posición horizontal observada por Wiesner se debía al gas del alumbrado, e identificó al etileno como el componente activo de este gas. Unos años más tarde, el mismo Neljubov propuso lo que se conoce como triple respuesta de las leguminosas al etileno (estudiada en guisante): - Reducción de la longitud del tallo - Aumento isodiamétrico del grosor del tallo - Crecimiento diageotrópico En 1910, Cousins descubrió que el etileno era el responsable de un hecho conocido desde antiguo: que los frutos maduros aceleran la maduración de otros frutos, por lo que al etileno se le conoció durante mucho tiempo como la hormona de la maduración. En los últimos años se ha intensificado el estudio y se ha comprobado que ejerce gran influencia sobre muchos procesos del desarrollo, actuando aparentemente como modulador y efector del resto de las hormonas vegetales.

3. Valoración. Los métodos biológicos nos indican si hay o no etileno en un tejido u órgano, pero no sirven para cuantificar. Esto es debido a los muy bajos niveles de etileno en los tejidos vegetales en condiciones normales y siempre que no coincida con una "cambio" fisiológico en la planta (como floración, fructificación, maduración de frutos, etc.). Entre los tests biológicos que se utilizan aún se encuentran: - Triple respuesta de las leguminosas. - Caída de pecíolos. - Inducción a la epinastia (curvatura hacia abajo). Para hacer análisis cuantitativos, puesto que es un gas que se libera por los tejidos, no requiere extracción ni purificación, antes de su análisis por cromatografía gaseosa.

4. Biosíntesis. El primer paso importante en el descubrimiento de la biosíntesis del etileno en los tejidos vegetales lo constituyó el que los carbonos 3 y 4 del aminoácido azufrado metionina sirven como sustratos en la producción de etileno: Durante los años ochenta y noventa se han acumulado una serie de conocimientos (incluido que el precursor metabólico inmediato del etileno es el ACC) que han permitido establecer el modelo para la biosíntesis del etileno y ciclo de la metionina, que además conecta con la ruta biosintética de las poliaminas.

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Detalle de las reacciones catalizadas por la ACC sintasa y la ACC oxidasa

4/9 La ruta de biosíntesis de etileno posee diferentes mecanismos metabólicos que garantizan una precisa regulación de su actividad. El etileno es capaz de modular su propia biosíntesis, tanto estimulándola como inhibiéndola. La autocatálisis de la producción de etileno es un proceso característico durante la maduración de frutos climatéricos y la senescencia de flores, donde un aumento en los niveles basales de etileno induce una estimulación de su propia síntesis, originando el incremento de la producción de etileno característico de estos procesos. En estos tejidos, la acción del etileno estimula coordinadamente tanto la síntesis como la actividad de las enzimas ACC sintasa y ACC oxidasa, y requiere la presencia continua o durante períodos prolongados de tiempo de etileno para mantener una tasa elevada de síntesis de etileno. Esta autocatálisis en la producción de etileno puede ocurrir también en tejidos vegetativos. Además, el etileno puede promover la actividad de la ACC N-malonil transferasa e incrementar los niveles de MACC, lo que supone un mecanismo alternativo para reducir el incremento masivo de los niveles de ACC que se producen durante estos procesos. Por otra parte, el etileno inhibe su propia biosíntesis en tejidos vegetativos y reproductivos de distintas especies, siendo un proceso rápido y reversible. El mecanismo implicado puede variar en los distintos órganos y tejidos implicados, así, puede ocurrir una supresión en la actividad ACC sintasa o en la actividad ACC oxidasa o bien una estimulación de la ACC-malonil transferasa. Aparte del propio etileno, otros reguladores del desarrollo también afectan a la biosíntesis del etileno en los distintos tejidos. Se ha comprobado que las auxinas estimulan la biosíntesis de etileno en tejidos vegetativos. Otros reguladores como el ABA o las citoquininas pueden actuar tanto estimulando como inhibiendo la producción de etileno, dependiendo de la especie vegetal, el tejido o el estado de desarrollo. Poliaminas y etileno actúan inhibiendo recíprocamente sus respectivas vías de síntesis. Características de la ACC sintasa (ACS) Cataliza la conversión de SAM a ACC por eliminación de 5’metiltioadenosina. Es la etapa limitante en la regulación de la biosíntesis de etileno. Los aumentos de producción de etileno van ligados a la inducción de la ACC sintasa. Además, estos procesos se inhiben con inhibidores de la transcripción y de la síntesis proteica, lo que indica que la inducción de la ACC sintasa se realiza por síntesis de novo. La actividad ACC sintasa se localiza mayoritariamente en el citosol. Esta enzima se encuentra en concentraciones muy bajas, menos del 0.001 % de la proteína total en fruto de tomate en maduración. Presenta una alta afinidad por su substrato, con una Km = 15 – 60 μM. Es dependiente de fosfato de piridoxal como cofactor. Por ello se inhibe con inhibidores de reacciones que dependen de este cofactor, como AVG (aminoetoxivinilglicina) o AOA (aminooxoacético). Además, es característica su corta vida media (de 30 a 60 min) lo que se relaciona con la inactivación por su sustrato (inactivación suicida). Características de la ACC oxidasa (ACO) También llamada EFE (enzima formadora de etileno). Esta enzima presenta una alta afinidad por su sustrato (Km = 66 μM). Se inhibe por iones Co++, α-aminoisobu-tírico y temperaturas mayores de 35ºC. Es altamente dependiente de oxígeno, utiliza ác. ascórbico y Fe, y se localiza en citosol. También sufre inactivación catalítica, pero su mecanismo es desconocido. En la actividad ACC oxidasa se genera HCN que es altamente tóxico para la célula, pero se elimina gracias a la enzima β-cianoalanina sintasa que genera β-cianoalanina a una velocidad muy superior a la de formación del HCN, por lo que mantiene su concentración por debajo de los niveles tóxicos.

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Regulación genética Tanto la ACC sintasa como la ACC oxidasa están reguladas por familias de genes que se expresan diferencialmente. La síntesis de etileno se estimula e inhibe por muchos factores diferentes que dependen de la especie, del órgano, del estado de desarrollo. Esto se explica porque la ACC sintasa está codificada por muchos genes diferentes que se expresan en respuesta a auxinas, heridas, maduración del fruto... La regulación presenta especificidad tanto de estímulo como de tejido. Hay más homología entre las ACS que se inducen por un mismo factor en distintas especies, que entre ACS de la misma especie. La ACO también está codificada por varios genes de expresión diferencial. Esto permite una regulación coordinada frente a cada estímulo, y una respuesta de la planta a una situación determinada.

5. Efectos fisiológicos del etileno La acción del etileno afecta a todas las etapas del desarrollo, produciendo numerosos efectos fisiológicos Estimulación de: - Germinación de semillas. - Ruptura de la latencia de semillas, bulbos y tubérculos - Induce la triple respuesta en plántulas de leguminosas - Cierre del gancho plumular - Crecimiento radial - Floración (Bromeliáceas) - Formación de flores femeninas. - Elongación de entrenudos (plantas acuáticas) - Cierre de los estomas - Epinastia de hojas - Alteración del depósito de microfibrillas de celulosa de la pared - Enrollamiento de zarcillos y raíces - Secreción de látex. - Elongación de la raíz (bajas concentraciones) - Formación de raíces adventicias y pelos radiculares - Abscisión de flores, hojas y frutos. - Maduración del fruto - Senescencia - Respuestas a los estrés Inhibición de: - Elongación celular - Floración - Fotosíntesis - Movimiento de las hojas - Desarrollo de la raíz (altas concentraciones) - Desarrollo del fruto Otros

6/9 Modulación del geotropismo de tallos y raíces Ruptura de la dominancia apical.

A continuación, se explican y se exponen algunas imágenes de efectos fisiológicos del etileno

El etileno y la inducción de la germinación. El etileno induce la germinación de muchas semillas. Este es el caso de la planta parásita Striga hermontica que parasita las raíces del maíz. Para evitar este problema se inyecta etileno en el suelo antes de sembrar el maíz. El etileno induce la germinación de las semillas de Striga las cuales, al no encontrar raíces de maíz para parasitar, mueren. A continuación se siembra el maíz que crecerá libre de la planta parásita. En condiciones normales, las semillas de Striga no germinan hasta que las raíces de maíz no se han desarrollado, lo que se detecta por el etileno producido por dichas raíces.

Triple respuesta de plántulas de leguminosas

Maduración de los frutos

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Estimulo de la senescencia

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Estimulo de la abscisión

Inducción de la epinastia

6. Mecanismo de acción La actividad del etileno está determinada por la existencia de un doble enlace en la molécula, lo que sugiere que la posible proteína receptora debe ser una metaloproteína. Otras moléculas pueden tener también actividad de etileno, lo que está determinado por la existencia de un enlace no saturado (más actividad si es doble que si es triple) próximo al extremo de la cadena, siendo más activa la molécula cuanto más corta sea la cadena. La maduración de los frutos es el proceso más complejo de los regulados por el etileno. La maduración comprende una serie de cambios metabólicos que se traducen en cambios en la textura del

9/9 fruto, el color, y el sabor, así como otros cambios que conducen a la senescencia del fruto. El debilitamiento de las paredes celulares asociado con la maduración se correlaciona con un incremento en la actividad celulasa y poligalacturonasa, que catalizan la hidrólisis de la celulosa y la pectina, los principales componentes de la pared celular. Se ha comprobado que durante la maduración de algunos frutos, como el tomate o el aguacate, el etileno produce la acumulación de ARNm que llevan la información para la síntesis de celulasa y poligalacturonasa. Estas observaciones nos indican que el etileno regula la transcripción de los genes que dirigen la síntesis de las enzimas que digieren la pared celular. El mecanismo consiste en la unión del etileno a una proteína receptora de membrana. El receptor es una proteína dimérica que contiene cobre. Cada monómero consta, a su vez, de cinco proteínas que forman un receptor y un sensor. La unión del etileno al receptor produce la inactivación de la proteína CRT1 que es un regulador negativo de la respuesta al etileno.

- Cuando se une el etileno al receptor se produce la inactivación de la proteína CTR1, que parece ser el primer elemento de una cascada de MAP quinasas. Ello provoca que EIN2 active la cascada de transducción de la señal que acaba con la inducción de la transcripción de los genes que producen la respuesta. - Cuando no hay unión etileno-receptor, CTR1 se activa, funciona la cascada de MAP quinasas que inactiva EIN2, y no se induce la transcripción de los genes que producen la respuesta....