Germany
August 3, 2012

Climacteric and non-climacteric fruits react differently to the plant hormone ethylene

Tomato breeders scored a coup several years ago when they identified tomatoes with a genetic defect that made the fruits mature very slowly, even under the influence of the phytohormone ethylene. Traders and growers were delighted as it gave them more time to transport the crop, initially still green, from where it was harvested to where it would be sold. At the stores, the tomatoes could then be treated with ethylene to bring them to maturity. Other fruits, like peppers, grapes and strawberries, generally do not mature after picking; they need to be harvested when ripe and consumed as soon as possible. Scientists from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam investigated why ethylene causes some plants to mature after picking and has absolutely no effect on others.

The colour, aroma and nutrient content of tomato fruits change even after harvesting, which is why they are referred to as climacteric fruits. This process is triggered by the plant hormone ethylene, which appears to have no effect on peppers.
© Claudia Steinert/MPI of Molecular Plant Physiology

In order to make it easier to compare the metabolism and the gene expression level of climacteric and non-climacteric plants, the scientists concentrated their work on two closely related species: the climacteric tomato and the non-climacteric habanero chilli pepper, both of the nightshade family. The team studied the plant metabolism at different times of day, before and after the so-called breaker point, the day on which the fruit begins ripening, as evidenced by a visible change of colour.

What happens with tomatoes is that – on this very day – they release huge quantities of ethylene, experiencing what is known as “ethylene shock”. The gaseous phytohormone ethylene activates its own synthesis as soon as the plant comes into external contact with ethylene. That is why green bananas turn yellow quicker when they are stored next to apples, as apples represent an excellent source of ethylene.

Two enzymes are instrumental in the synthesis of ethylene. These are called ACC synthase and ACC oxidase. During the ripening process, climacteric tomato fruits produce much more of these enzymes, which causes ethylene levels to rise continuously. The ethylene then sets a cascade of signals in motion in the tomatoes, causing the fruits to ripen. Green chloroplasts convert to colourful chromoplasts, the hard cell wall components break down, sugars are formed and the nutrient content changes.

This is not the case with the chillis. “It looks like the ethylene has absolutely no influence on the gene expression or the metabolism of habenero chilli peppers,” says group leader Alisdair Fernie, who studied the fruits’ metabolism and gene activity with his team. Surprisingly, though, genes lower down the ethylene signal chain showed heightened levels of activity. “The genes for breaking down the plant cell wall or the carotenoid biosynthesis during the plant’s normal process of ripening were produced in greater quantities in the tomatoes and peppers alike,” explains Fernie. The molecule that triggers the ripening process in peppers and other non-climacteric fruits is something that the scientists are still searching for.

Ethylen ohne Effekt – warum Paprika keine Nachreife zeigen

Nachreifende und nicht-nachreifende Früchte reagieren unterschiedlich auf das Pflanzenhormon Ethylen

Tomatenzüchtern gelang vor Jahren ein Coup: Sie identifizierten Tomaten mit einem Gendefekt, der dazu führt, dass die Früchte auch unter dem Einfluss des pflanzlichen Reifehormons Ethylen nur sehr langsam nachreifen. Händler und Anbaubetriebe freute das, denn somit blieb ihnen mehr Zeit, die anfangs noch grüne Ware vom Ort der Ernte zu den Verkaufsfilialen zu befördern. Dort konnte sie dann mit Hilfe von Ethylenbegasung zur Reife gebracht werden. Andere Früchte wie Paprika, Weintrauben oder Erdbeeren zeigen generell keine Nachreife, sie müssen im reifen Zustand geerntet und möglichst bald verbraucht werden. Forscher des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam sind der Frage nachgegangen, warum Ethylen in manchen Pflanzen zur Nachreife führt und von anderen gar nicht bemerkt wird.

Um den Vergleich des Stoffwechsels und der Genexpressionslevel von nachreifenden und nicht-nachreifenden Pflanzen zu vereinfachen, konzentrierten die Wissenschaftler ihre Arbeit auf zwei nahverwandte Arten: die nachreifende Tomate und die nicht-nachreifende Habanero-Chili, beides Nachtschattengewächse. Sie untersuchten den pflanzlichen Stoffwechsel zu unterschiedlichen Zeitpunkten vor und nach dem sogenannten Breaker-Point, also dem Tag, an dem die Frucht durch einen sichtbaren Farbumschwung in den Reifeprozess eintritt.

Bei Tomaten kommt es an genau diesem Tag zu einer Freisetzung gewaltiger Mengen Ethylen, man spricht auch von einem „Ethylenschock“. Das gasförmige Phytohormon Ethylen aktiviert seine eigene Synthese, sobald die Pflanze von außen mit Ethylen in Berührung kommt. Aus diesem Grund werden grüne Bananen schneller gelb, wenn sie neben Äpfeln aufbewahrt werden, da Äpfel eine ausgezeichnete Ethylenquelle darstellen.

Zwei Enzyme nehmen bei der Synthese von Ethylen eine Schlüsselrolle ein, sie heißen ACC-Synthase und ACC-Oxydase. Während des Reifeprozesses produzieren nachreifende Tomatenfrüchte viel mehr von diesen Enzymen, was einen sich stetig erhöhenden Ethylenspiegel zur Folge hat. Das Ethylen setzt in den Tomaten dann eine Signalkaskade in Gang, die zur Reifung der Früchte führt. Aus grünen Chloroplasten werden farbige Chromoplasten, die harten Zellwandbestandteile werden abgebaut, Zucker werden gebildet und der Nährstoffgehalt ändert sich.

Nicht so bei Chilis. „Es sieht so aus, als ob Ethylen keinerlei Einfluss auf die Genexpression oder den Stoffwechsel von Habenero-Chilis hat“, so Gruppenleiter Alisdair Fernie, der mit seinem Team den Stoffwechsel und die Genaktivität der Früchte untersucht hat. Erstaunlicherweise waren aber Gene weiter abwärts in der Ethylen-Signalkette sehr wohl vermehrt aktiv. „Die Gene für den Abbau der pflanzlichen Zellwand oder die Carotenoid-Biosynthese wurden während des normalen Reifeprozesses an der Pflanze sowohl bei Tomate als auch bei Paprika vermehrt gebildet“, erklärt Fernie. Das Molekül, das bei Paprika und anderen nicht-nachreifenden Früchten den Reifeprozess anstößt, suchen die Forscher noch.

Website: http://www.mpg.de

Published: August 3, 2012