Ethylene
-เป็ นฮอร์โมนพืชชนิดเดียวที่มีสถานะเป็ น gas
-ค้นพบเมื่อปี 1868
-1930s – proposed เป็ น plant growth regulator and
a fruit ripening hormone
-มีปริ มาณที่ต่าและมีสถานะเป็ น gas จึงวัดยาก
-1960s- ช่วงแรกใช้ manometric procedure, crude colorimetric
techniques, และ bioassays ช่วงหลังใช้ GC w/ flame ionization
detector
-พบว่า พืชชั้นสู งเกือบทั้งหมดสามารถผลิต ethylene ได้ในปริ มาณที่ต่างกัน
-ผลิตได้มากที่สุดใน meristematic and nodal region
-เกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อ stress ต่าง ๆ
-ปริ มาณเพิม่ ขึ้นระหว่าง leaf abscission, leaf senescence
and fruit ripening
-หรื อการตอบสนองต่อ stresses such as wounding, flooding,
chilling, diseases, temperature and drought stress
Pea seedling (6d)
Triple response
-inhibition of hypocotyl/epicotyl elongation
-lateral enlargement of hypocotyl/epicotyl
-extremely bending of the apical hook
Mung bean seedling (4d)
การสั งเคราะห์
Methionine
(Met)
SAM synthase
ปัจจัยกระตุ้น
-การสุ กของผลไม้
-การเสื่ อมสภาพ
-การเกิดบาดแผล
S-Adenosyl Methionine
(SAM)
ACC synthase
1-Aminocyclopropane-1-Carboxylic acid
(ACC)
ACC Oxidase
Ethylene (C2H4)
ACC synthase
-Convert SAM to ACC
-rate-limiting step/first committed step
-first purified from tomato pericarp
-induced by auxin, wounding, lithium chloride stress,
and climacteric fruit ripening
-encoded by multigene family
-at least 6 present in tomato with 2 involving in fruit ripening
-inhibitors = aminoethoxyvinyl glycine (AVG)
and aminooxyacetic acid (AOA)
-induced by auxin at the transcript level (using protein inhibitors)
-autocatalysis (in fruit ripening process)
and autoinhibition (in grapefruit flavedo)
-’suicide inactivation with its substrate ((-)-SAM)
ACC Oxidase
-convert ACC to ethylene
-formerly called ‘ethylene forming enzyme’
-activated by CO2 (one of its product)
-high substrate specificity (ACC)
-stereoselectivity (1-amino-2-ethylcyclopropane-1carboxylic acid (AEC) isomers)
-co-factors: Fe2+, ascorbate, and O2
-Co2+ inhibits activity
-extremely unstable
-cDNA clone pTOM13 from tomato – increased with
onset of tomato fruit ripening and after wounding
of leaves
Ethylene metabolism
-main route = diffusion to the surrounding
in gaseous form
-also by oxidation to ethylene oxide and
ethylene glycol
-conjugate with glucose (ethylene glycol)
-ACC conjugate
Ethylene manipulation
-two biotechnology strategies
1. Overexpression of Pseudomonas gene ACC deaminase
-convert ACC to -ketobutyric acid and NH3
2. Antisense ACC oxidase or ACC synthase
Ailsa tomato picked at 3 wk after onset of ripening and kept at room temp.
For 3 wk
pTOM13 antisense tomato
-produce ~ 5% of normal amount of ethylene
-fully ripen but don’t overripe and deteriorate
wild type
-produce normal amount of ethylene
-overripe and deteriorate
Ethylene inhibitors
Inhibitors of ethylene biosynthesis
-AVG, AOA, Co2+
Inhibitors of ethylene action
-silver ions (Ag+) as silver nitrate (AgNO3)
Or silver thiosulfate (Ag(S2O3)23-)
-CO2 (5-10%)
-trans-cyclooctane (not cis form)
-1-methylcyclopropane (1-MCP)
Cellular and molecular mode of ethylene action
-Binding to receptor triggers signal transduction leading
to cellular response
-ใช้ molecular genetic studies ในการศึกษาโดยการ generate mutants ใน
Arabidopsis อาศัย triple response ต่อ ethylene
แบ่งได้ 2 กลุ่ม
1. ethylene-resistant or ethylene insensitive mutants
(fail to respond to ethylene)
2. constitutive mutants e.g. ctr1 (constitutive triple response1)
(always show ethylene response even w/ ethylene absence)
Ethylene-insensitive mutants
etr1 (ethylene-resistant 1)
-จาก amino sequence มีลกั ษณะคล้าย bacterial two component system
histidine kinase ที่ใช้สาหรับ chemo-sensory stimuli, phosphate
availability, and osmolarity ใน bacteria
-ดังนั้น ETR1 น่าจะเป็ น receptor สาหรับ ethylene
และสามารถ bind ethylene with high affinity similar to
dose-response curve
-other proteins include ETR2, ERS1 (ETR1-related sequence 1),
ERS2, and EIN4
-All consist of 2 domains:
1. Ethylene binding site (amino-terminal domain span mb.)
2. Histidine kinase catalytic domain
-ETR1 อาจจะ located on ER และมี hydrophobic nature
-คุณสมบัติน้ ีทาให้ ethylene สามารถ move freely across plasma mb. into
the cell เหมือนกับ hydrophobic signaling molecules in animal cells
such as steroids, and nitric oxide – bind to internal receptors
-High-affinity binding of ethylene to the receptor requires
copper cofactor
-silver ion can substitute copper
การทางานของ receptors
-All receptors are encoded by multigene family
-functionally redundant (shut off single gene has no effect unless all
are shut off)
-if all are turned offshow constitutive response to ethylene
-แสดงว่า all receptors are normally ‘on’ (active) in the absence
of ethylene
-ดังนั้น หน้าที่ของ receptors ก็คือ ‘shut off’ the signaling pathway
-ขณะเดียวกัน binding of ethylene to the receptors ‘turn off’ the receptors
leading to responses to ethylene
-ดังนั้น ethylene receptors act as negative regulators of the response
pathways
การทางานของ ethylene
-Ethylene regulates gene expression via regulatory sequence
called ‘ethylene response elements (EREs)
-มี EIN3 เป็ น transcription factor binding to promoter ERF1
(ethylene response factor 1) ซึ่ งอยูใ่ นกลุ่ม ERE-binding proteins (EREBP)
-ใช้ double mutants พบว่า CTR1 (protein kinase) act downstream of ETR1