A Descoberta
Durante o século XIX, quando um gás, produzido pelo carvão era utilizado na iluminação de ruas, observou-se que árvores nas vizinhanças das lâmpadas desfolhavam-se mais extensivamente do que as que se encontravam mais distantes.
Tornou-se aparente que o gás e poluentes do ar danificavam o tecido vegetal e, em 1901, o etileno foi identificado como o componente ativo do gás que provocava tal efeito.
Posteriormente, observou-se que plântulas de ervilha crescendo no escuro, no laboratório, mostrava reduzido alongamento do caule, aumento no crescimento lateral e um anormal crescimento horizontal, o que ficou conhecido como “tripla resposta”. Quando o ar do laboratório era purificado, as plantas voltavam a crescer em taxas normais.
O etileno, o qual estava presente no ar contaminado do laboratório, foi identificado como a molécula causadora da resposta. A primeira indicação que o etileno era um produto natural de tecidos vegetais foi reportada por H. H. Cousins, em 1910.
Ele mostrou que emanações de laranjas estocadas em uma câmara provocavam o amadurecimento prematuro de bananas. No entanto, visto que nós sabemos agora que frutos de laranja sintetizam relativamente pouco etileno, comparado com outros frutos (maçã, por exemplo), é provável que as laranjas utilizadas por Cousins estivessem contaminadas com o fungo Penicillium, o qual produz copiosos montantes de etileno. Em 1934, R. Gane e colaboradores identificaram quimicamente o etileno como um produto natural do metabolismo da planta e, devido aos seus efeitos sobre as plantas, ele foi classificado como um hormônio.
Apesar da sua descoberta, a maioria dos fisiologistas não reconheceu o etileno como um hormônio vegetal, principalmente por que se acreditava que os efeitos do etileno poderiam ser mediados pela auxina.
Assim, acreditava-se que a auxina era o principal hormônio de plantas e que o etileno tinha somente um insignificante e indireto papel fisiológico.
Trabalhos com etileno eram, também, difíceis de serem feitos pela falta de técnicas para sua quantificação.
No entanto, em 1959, quando a cromatografia gasosa foi introduzida nas pesquisas, o etileno foi re-descoberto como hormônio e a sua importância no desenvolvimento da planta foi reconhecida.
Ocorrência, Metabolismo e Transporte
O etileno é uma molécula simples que é mais leve do que o ar sob condições fisiológicas. Ele é inflamável e pode ser facilmente oxidado. O etileno pode ser oxidado para óxido de etileno e este pode ser hidrolisado para etileno glicol. Em muitos tecidos de plantas, o etileno pode ser completamente oxidado até CO2.
O etileno é liberado facilmente do tecido que o produz, difundindo-se na fase gasosa, através dos espaços intercelulares, podendo ser perdido para a atmosfera externa ou atingir outros órgãos da planta. Em função dessa rápida difusão, sistemas que absorvem o etileno são usados durante o estoque de frutos e flores.
Por exemplo, o permanganato de potássio (KMnO4) é um forte adsorvente de etileno que pode reduzir a concentração desse gás em áreas de estoque de maçã, aumentando o tempo de armazenamento dos frutos.
O etileno pode ser produzido por quase todas as partes das plantas superiores, embora a taxa de produção dependa do tipo de tecido e do estádio de desenvolvimento. Em geral, regiões meristemáticas e regiões nodais são mais ativas na sua biossíntese.
Embora, a produção de etileno também aumente durante a abscisão foliar e a senescência de flores, bem como durante o amadurecimento de frutos. Além disso, escuro, danos mecânicos (ferimentos), algumas doenças e estresses fisiológicos (congelamento, altas temperaturas e estresse hídrico) podem induzir a biossíntese de etileno.
Nos estudos sobre a biossíntese de etileno, M. Lieberman e colaboradores mostraram que vários tecidos de plantas podiam converter [14C]-Metionina para [14C]-Etileno e que o etileno era derivado dos carbonos 3 e 4 da metionina.
Outros resultados experimentais mostraram que o grupo CH3-S da metionina (o que restava da molécula de metionina) era reciclado no tecido. Sem essa reciclagem, o montante de enxofre reduzido presente na célula poderia se tornar limitante, influenciando o nível de metionina disponível para a biossíntese de etileno.
Subsequentemente, outros trabalhos mostraram que o composto S-Adenosilmetionina (AdoMet), sintetizado a partir de metionina e ATP, era um intermediário na via biossintética do etileno.
Quatorze anos após a metionina ter sido descoberta como precursor do etileno nas plantas, a etapa final da via foi descoberta.
O precursor imediato do etileno foi identificado como ácido 1-aminociclopropano carboxílico (ACC). O papel do ACC ficou evidente em outros experimentos, nos quais as plantas eram tratadas com metionina marcada radiotavamente [14C Met.].
Sob condições anaeróbicas, não houve produção de etileno e o ACC marcado acumulou no tecido.
Quando o tecido era transferido para um meio aeróbico, ocorria produção de etileno.
Outros estudos, com vários tipos de tecidos vegetais mostraram que o ACC marcado radioativamente era rapidamente convertido para etileno, sugerindo que o ACC era o precursor imediato do etileno em plantas.
Resultados semelhantes foram obtidos com aplicação exógena de ACC (aplicação de ACC aumentava substancialmente a síntese de etileno). A Sintase do ACC, a enzima que catalisa a conversão de S-adenosilmetionina para ACC, tem sido caracterizada em muitos tecidos de várias plantas.
A sintase do ACC é uma enzima citosólica e sua síntese é regulada por fatores internos (como auxinas, senescência de flores, amadurecimento de frutos, etc.) ou fatores externos (ferimentos, injúrias pelo frio, estresse hídrico, encharcamento, etc.). Todos estes fatores promovem a síntese de etileno.
Alguns compostos, como o aminoetoxivinil glicina (AVG), inibem a atividade dessa enzima e, portanto, a síntese de etileno.
A última etapa na biossíntese de etileno, a conversão de ACC para etileno, é catalisada pela enzima Oxidase do ACC, uma enzima que requer Fe2+ e ascorbato como cofatores.
Esta enzima não é, geralmente, o ponto limitante da biossíntese de etileno, embora tecidos que mostram altas taxas de produção de etileno (como frutos em amadurecimento e flores senescentes), mostram aumento na atividade da oxidase do ACC e de seu mRNA.
O aminoácido metionina é encontrado em concentrações muito baixas nos tecidos vegetais, em valores mais ou menos constantes, inclusive naqueles tecidos que produzem copiosos montantes de etileno (alguns frutos amadurecendo, por exemplo). Visto que a metionina é o único precursor do etileno nas plantas superiores, pode-se afirmar que os tecidos que produzem etileno requerem um contínuo suprimento deste aminoácido.
Este suprimento é assegurado pela reciclagem da metionina via o Ciclo de Yang. Na reação catalisada pela sintase do ACC, S-adenosilmetionina é convertido para ACC e 5’- metiltio-adenosina. Este último composto é convertido para metionina através de 4 reações que completam o Ciclo de Yang.
O ACC produzido no tecido não é convertido totalmente para etileno.
O ACC pode ser convertido, também, para uma forma conjugada não volátil, N-malonil-ACC, a qual não é degradada e parece se acumular no tecido. Uma segunda forma de conjugação de ACC, o ácido 1-(L-glutamil-amino) ciclopropano carboxílico (GACC), tem sido também identificada.
A conjugação de ACC pode ter um importante papel no controle da biossíntese de etileno, em uma maneira análoga à conjugação de auxinas e citocininas. Os pesquisadores têm estudado, também, o catabolismo do etileno, suprindo 14C2H4 (etileno) aos tecidos de plantas e acompanhando os compostos radioativos produzidos. Estes estudos mostraram que CO2, óxido de etileno e etileno glicol (este último livre ou conjugado com glicose) são produtos do catabolismo do etileno.
Em alguns sistemas, auxina e etileno podem causar respostas similares em plantas, tais como a indução do florescimento em abacaxi e a inibição do alongamento do caule. Estas respostas similares se devem à capacidade das auxinas (em altas concentrações) de promover a biossíntese de etileno, pelo aumento na conversão de S-adenosilmetionina para ACC.
Alguns estudos têm mostrado que os níveis do mRNA que codifica a sintase do ACC aumentam em resposta à aplicação de AIA, sugerindo que um aumento na transcrição do gen é responsável, pelo menos em parte, pelo aumento na produção de etileno em resposta à auxina.
Estas observações indicam que algumas respostas previamente atribuídas às auxinas (AIA), são de fato mediadas pelo etileno produzido em resposta à auxina.
A utilização de alguns inibidores da biossíntese e da ação do etileno permite discriminar entre a ação da auxina e do etileno. Por exemplo, aminoetoxivinil glicina (AVG) e aminooxiacetato (AOA) bloqueiam a conversão de S-adenosilmetionina para ACC, ou seja, a reação catalisada pela sintase do ACC. O cobalto (Co2+) é também um inibidor da biossíntese de etileno, bloqueando a conversão de ACC para etileno, na última etapa da biossíntese catalisada pela oxidase do ACC (anaerobiose age de modo similar). Íons prata (Ag+ ), aplicados como nitrato de prata (AgNO3) ou como tiossulfato de prata [Ag(S2O3)2 -3], são potentes inibidores da ação do etileno. O gás carbônico (CO2) em altas concentrações (5 a 10%) também inibe muitos efeitos do etileno (por exemplo, amadurecimento do fruto), embora seja menos eficiente que os íons Ag+.
O transocteno, um composto volátil, é um forte inibidor competitivo da ligação do etileno. E, recentemente foi descoberto um novo inibidor da ação do etileno, o MCP (1-metilciclopropeno), que age ligando-se irreversivelmente ao receptor de etileno. O MCP apresenta um extraordinário potencial de uso comercial. Estudos com esses compostos mostraram que, em alguns casos, o etileno é o efetor primário e que a auxina age indiretamente, promovendo a produção de etileno. Nestes casos, a aplicação de auxinas não promove a resposta se, ao mesmo tempo, forem aplicados inibidores da síntese ou da ação do etileno.
Papel Fisiológico
a) Amadurecimento de frutos
No uso popular, o termo amadurecimento de frutos se refere às mudanças metabólicas que o tornam o fruto próprio para o consumo. Tais mudanças incluem o amolecimento devido a quebra enzimática da parede celular, hidrólise de amido e de outras macromoléculas, acúmulo de açúcares solúveis e redução nos teores de ácidos orgânicos e compostos fenólicos, incluindo tanino. Também se observa acúmulo dos pigmentos antocianina e carotenóides na epiderme desses frutos. Por muitos anos, o etileno tem sido reconhecido como o hormônio que acelera o amadurecimento de muitos frutos comestíveis. No entanto, nem todos os frutos respondem ao etileno.
Os frutos que amadurecem em resposta ao etileno exibem um aumento característico na respiração antes da fase de amadurecimento, conhecido como Climatério.
Tais frutos mostram um pico de produção de etileno imediatamente antes do aumento na respiração. Visto que, um tratamento com etileno induz o fruto a produzir uma adicional quantidade de etileno, sua ação pode ser descrita como autocatalítica.
Frutos como, maçã, banana, abacate e tomate, são exemplos de frutos climatéricos.
Em contraste, frutos como Citrus, abacaxi e uva, não exibem aumento nem na produção de etileno nem na respiração, e são conhecidos como frutos não climatéricos.
Quando frutos climatéricos não maduros são tratados com etileno, a iniciação do aumento no climatério é acelerada.
Por outro lado, quando frutos não climatéricos são tratados da mesma maneira, o aumento na taxa respiratória é proporcional à concentração de etileno.
No entanto, o tratamento não induz a produção de etileno endógeno e também não acelera o amadurecimento.
A relação causal entre o nível endógeno de etileno e o amadurecimento do fruto tem sido estudada através da aplicação de inibidores da biossíntese (AVG e AOA) ou da ação (Ag+ e CO2) do etileno.
O uso destes inibidores retarda ou evita o amadurecimento de frutos climatéricos. Estudos com mutantes também confirmam o papel do etileno no amadurecimento de frutos.
Por exemplo, estudos com plantas transgênicas de tomate deficientes em etileno (esses mutantes são incapazes de produzir etileno devido alterações na expressão das enzimas sintase do ACC e oxidase do ACC), mostraram completo bloqueio no amadurecimento do fruto e, o amadurecimento foi promovido pela aplicação exógena de etileno.
Estes experimentos mostraram, inequivocamente, o papel do etileno no amadurecimento do fruto. A elucidação do papel do etileno no amadurecimento de frutos climatéricos tem resultado em muitas aplicações práticas que objetivam uniformizar, acelerar ou retardar o amadurecimento.
b) Epinastia de folhas
A curvatura para baixo de folhas, que ocorre quando o lado superior (adaxial) do pecíolo cresce mais rápido do que o lado inferior (abaxial), é denominada epinastia.
O etileno e altas concentrações de auxinas induzem epinastia e, sabe-se agora, que a auxina age indiretamente, promovendo a síntese de etileno.
Algumas condições ambientais, como encharcamento ou anaerobiose nas raízes (dados obtidos com tomate), provocam aumento na síntese de etileno na parte aérea, produzindo a resposta epinástica. Visto que estas condições ambientais são sentidas pelas raízes e a resposta ocorre na parte aérea, acredita-se que um sinal da raiz deve ser transportado para a parte aérea. Este sinal parece ser o ACC, o precursor imediato do etileno. Acredita-se que, as condições anaeróbicas nas raízes, as quais inibem a enzima ACC oxidase, provocam o acúmulo do composto ACC. Este ACC é transportado para a parte aérea, via xilema.
Na parte aérea ele é convertido para etileno, o qual induz a epinastia de folhas.
c) Expansão celular horizontal e o crescimento lateral do caule
Em concentrações acima de 0,1 µL L-1, o etileno muda o padrão de crescimento de plântulas, reduzindo a taxa de alongamento e aumentando a expansão lateral. A direção da expansão celular é determinada pela orientação das microfibrilas de celulose da parede celular. Acredita-se que o etileno induz uma gradual mudança no alinhamento das microfibrilas.
O tipo de crescimento horizontal, que ocorre após exposição ao etileno, pode executar importante papel durante a germinação, particularmente sob determinadas condições de solo.
Por exemplo, quando barreira física impede a emergência da plântula, ocorre um aumento na produção de etileno, induzindo então o crescimento horizontal, o que permite à plântula encontrar condições no solo para propiciar a sua emergência.
d) Promoção do crescimento do caule e de pecíolos de espécies submersas
Embora o etileno seja associado com a inibição do alongamento do caule e a promoção da expansão lateral, ele promove o alongamento do caule e pecíolos em várias espécies submersas em água (arroz, por exemplo).
Nestas espécies, as partes submersas são induzidas a um rápido alongamento dos entrenós, permitindo que as folhas fiquem acima da água. Tratamento com etileno mimetiza os efeitos da submersão. Nas plantas submersas, o crescimento é estimulado por que o etileno acumula-se nos tecidos. É interessante notar que, na ausência de O2 a síntese de etileno é diminuída. No entanto, a difusão do etileno é também diminuída no meio aquoso, o que provoca o acúmulo de etileno. No caso de plântulas de arroz, os estudos têm mostrado que o etileno estimula o alongamento dos entrenós, aumentando, primariamente, a sensibilidade das células do meristema intercalar às giberelinas endógenas. Assim, o efeito estimulante do etileno em plantas submersas pode ser mediado pelas giberelinas.
e) Florescimento em abacaxi
Embora o etileno iniba o florescimento na maioria das espécies, ele induz florescimento em abacaxi (e em outras espécies taxonomicamente relacionadas ao abacaxi), sendo usado comercialmente no cultivo de abacaxi para a sincronização da floração e estabelecimento do fruto.
O etileno pode mudar o sexo de flores em espécies que apresentam flores unisexuais.
A promoção de flores fêmeas em pepino é um exemplo. Este processo de determinação do sexo está associado principalmente às giberelinas (ver giberelinas).
f) Senescência de folhas e de flores
A senescência é um processo de desenvolvimento geneticamente programado, que afeta todos os tecidos da planta. Algumas linhas de evidências, baseadas em estudos fisiológicos, sugerem papéis para etileno e citocininas no controle da senescência de folhas.
Principais evidências:
• Aplicações de etileno ou de ACC aceleram a senescência de folhas, enquanto tratamento com citocininas retarda;
• Aumento na produção de etileno é associado à perda da clorofila. De modo contrário, altos níveis de citocininas estão associados ao acúmulo de clorofila;
• Inibidores da síntese (AVG, AOA e Co2+) e da ação (Ag+ e CO2) do etileno, retardam a senescência de folhas, de flores e de frutos (amadurecimento).
Por exemplo, aplicação de tiossulfato de prata (STS) retarda a senescência de flores.
• Plantas transgênicas superprodutoras de citocininas são mais ricas em clorofila e têm sua senescência retardada; As evidências descritas acima sugerem que a senescência é regulada pelo balanço entre citocininas e etileno.
Em adição, o ácido abscísico (ABA) tem sido implicado, também, no controle da senescência foliar.
g) Abscisão
A queda de folhas, de flores, de frutos e de outras partes da planta é denominada abscisão. O processo de abscisão ocorre numa camada específica de células, conhecida como zona de abscisão (localizada na base dos pecíolos, pedicelo e pedúnculo), a qual torna-se morfológica e bioquimicamente diferenciada durante o desenvolvimento do órgão. O enfraquecimento das paredes celulares na camada de abscisão depende da atividade de enzimas degradantes da parede celular, tais como celulases, hemicelulose e poligalacturonases.
O etileno parece ser o regulador primário do processo de abscisão, com a auxina agindo como um supressor do efeito do etileno. É interessante que, concentrações supraótimas de auxinas estimulam a produção de etileno e, consequentemente, a queda de folhas. Este é o princípio para o uso de substâncias análogas às auxinas como agentes desfolhantes.
Por exemplo, o 2,4,5-T, o ingrediente ativo do “agente laranja”, foi usado como desfolhante pelos Estados Unidos, durante a Guerra do Vietnã (o produto era aplicado por aviões sobre as florestas).
Esta substância atua aumentando a síntese de etileno, estimulando, desta forma, a abscisão foliar.
Um modelo de controle hormonal da abscisão foliar descreve o processo em três fases distintas e sequenciais:
• Fase de manutenção da folha → Esta fase é anterior à percepção do sinal que inicia a abscisão da folha. Nessa situação, se observa um gradiente decrescente de auxina da folha para o caule, a qual mantém a zona de abscisão em um estado não sensível;
• Fase de indução da queda → A redução ou reversão do gradiente de auxina da folha para o caule, normalmente associada com a senescência, torna a zona de abscisão sensível ao etileno;
• Fase de queda → As células sensibilizadas da zona de abscisão respondem às baixas concentrações de etileno endógeno pela produção e secreção de celulases e outras enzimas degradantes da parede celular, resultando na queda da folha.
h) Uso comercial do etileno
Visto que o etileno regula muitos processos fisiológicos no desenvolvimento da planta, ele é um dos hormônios de plantas mais amplamente usados na agricultura. Auxinas e ACC podem estimular a biossíntese natural de etileno e são usados em alguns casos. Devido a sua alta taxa de difusão (hormônio gasoso), torna-se difícil a aplicação de etileno. No entanto, esta limitação pode ser sobrepujada pelo uso de compostos que liberam o etileno. O mais amplamente usado é o etefon (ácido 2-cloroetilfosfônico), o qual foi descoberto na década de 1960 (este composto é conhecido como ethrel). O etefon, pulverizado na forma de solução aquosa, é prontamente absorvido e transportado dentro da planta. Ele libera o etileno lentamente, em ambiente alcalino, de acordo com a reação: O etefon acelera o amadurecimento de frutos climatéricos, sincroniza o florescimento e o estabelecimento do fruto em abacaxi, acelera a abscisão de flores e frutos e promove a formação de flores femininas em pepino.
OBS: Na prática é comum o uso do Carbeto de Cálcio (conhecido vulgarmente como “Carbureto”). Esse composto reage com a água e produz acetileno, de acordo com a seguinte reação: CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2 O acetileno (C2H2) em altas concentrações pode atuar de forma semelhante ao etileno (C2H4). O uso do carbeto de cálcio é comum no amadurecimento de frutos (por exemplo, bananas) e no florescimento de abacaxi. Uma vantagem do “carbureto” é o seu baixo custo, quando comparado ao etrel.
A preservação de frutos climatéricos, estocados, também está associado ao etileno. Um maior tempo de estoque pode ser obtido, controlando-se a atmosfera com baixas concentrações de O2 e baixas temperaturas, fatores que inibem a biossíntese de etileno pelos frutos armazenados, ou com o uso de altas concentrações de CO2, que inibe a ação do etileno. Íons prata (Ag+ ) podem também ser utilizado no aumento da longevidade de flores, inibindo a ação do etileno.
Mecanismo de Ação
A despeito da diversidade dos efeitos do etileno sobre o desenvolvimento das plantas, as etapas primárias que definem o mecanismo de ação do etileno são aparentemente similares em todos os casos. Elas envolvem a ligação do etileno a um receptor, seguida da ativação de uma ou mais vias de transdução de sinal que resultam em respostas fisiológicas específicas.
Nos últimos anos, muitas das descobertas à cerca do mecanismo de ação do etileno têm sido obtidas através de estudos com mutantes de Arabdopsis.
De acordo com esses estudos, um modelo de sinalização celular envolvendo o etileno pode ser proposto:
• Algum fator estimula a síntese de etileno e ele liga-se ao receptor ETR1 (receptor de etileno), o qual é uma proteína integral de membrana;
• A ligação do etileno ao receptor ETR1, resulta na inativação de um regulador negativo, CTR1 (constitutive triple response);
• A inativação de CTR1 permite que a proteína transmembranar EIN2 torne-se ativa. Essa proteína transmembranar pode agir como um poro ou canal;
• Uma substância, possivelmente um íon, pode difundir-se através do canal (EIN2) e ativar um fator de transcrição (EIN3). Este EIN3 é uma proteína reguladora.
• O fator de transcrição EIN3 age na regulação da expressão de genes nucleares que vão especificar uma determinada resposta fisiológica.
Referências:
FERRI, M.G. Fisiologia Vegetal. Volume II. São Paulo: EDUSP, 1979.
RAVEN, P.H.; EVERT, R.F.; EICHHORN, S.E. Biologia Vegetal. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 6º ed. 2001.
TAIZ, L; ZEIGER, E. Fisiologia Vegetal. 3º edição. Artmed, 2003.
muito Bom parabéns excelente trabalho ótimas dicas
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