HALLAZGOS DE LA BIOSÍNTESIS DEL ETILENO EN FRUTAS CLIMATÉRICAS Y DE LOS FACTORES QUE AFECTAN LA RUTA

METABÓLICA

Eduardo Javid Corpas Iguarán1*, Omar Alberto Tapasco Alzate2

1 Universidad Católica de Manizales, Grupo de Investigación y Desarrollo Tecnológico para el Sector Agroindustrial y Agroalimentario INDETSA. Carrera 23 N. 60 – 63, apartado 357, Manizales,

Colombia.

2 Universidad de Caldas, Grupo de Investigación en Estadística y Matemáticas. calle 65 No.

26-10, apartado 275, Manizales, Colombia

*ecorpas@ucm.edu.co; otapasco@ucaldas.edu.co

Resumen. El etileno es un compuesto hormonal gaseoso sintetizado en la mayoría de los tejidos de las plantas superiores, y a quien le atribuye el rol principal en los procesos de maduración y senescencia de las frutas climatéricas. La biosíntesis de etileno está regulada metabólicamente y su inducción obedece a una variedad de señales de estrés como la refrigeración, heridas mecánicas, infección por patógenos y estrés nutricional; pero además, existen compuestos que retardan o aceleran la biosíntesis del etileno, lo cual los hace susceptibles de utilizar con fines comerciales según sea la necesidad. La presente revisión consistió en una búsqueda, utilizando principalmente las bases de datos Science Direct, Pubmed y Ovid, relacionada con los avances en el conocimiento acerca de la biosíntesis y regulación metabólica del etileno en frutas climatéricas, así como los factores físicos y químicos que retardan o aceleran el proceso normal de la ruta metabólica. Entre los compuestos retardantes de la biosíntesis de etileno que más se hallaron se encuentran el 1-metilciclopropeno (1-MCP), el propileno y el etileno exógeno, mientras que la administración de temperaturas y atmósferas se resaltaron como los factores físicos principalmente utilizados para estimular o retardar su biosíntesis.

Palabras claves: Etileno exógeno, Frutas climatéricas, 1-metilciclopropeno, Maduración de las frutas.

Abstract. Ethylene is a gaseous hormonal compound synthesized in most tissues of higher plants, and who is attributed the main role in the maturation processes and senescence of climacteric fruits. Ethylene biosynthesis is regulated metabolically and their induction obeys a variety of stress signals such as refrigeration, mechanical wounds, pathogen infection and nutritional stress but also, exist compounds that retard or accelerate the biosynthesis of ethylene, which makes them susceptible to use for commercial purposes according to need. This review consisted of a search, using mainly the databases Science direct, Pubmed and Ovid, related with advances in knowledge about the biosynthesis and metabolic regulation of ethylene in

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climacteric fruits, as well as physical and chemical factors that retard or accelerate the normal process of metabolic pathway. Among the compounds retardant of ethylene biosynthesis that more were found are included 1-methylcyclopropene (1-MCP), propylene and exogenous ethylene, while temperatures and atmospheres management were highlighted as the physical factors mainly used to stimulate or retard its biosynthesis. Keywords: Climacteric fruits, Exogenous ethylene, 1-Methylcyclopropene, Fruit ripening.

Introducción

Las frutas sufren una fase única en el ciclo de vida de las plantas superiores, que abarca varias etapas progresivas para su desarrollo, su maduración y senescencia final (Bapat et al., 2010), en la cual, dependiendo del incremento masivo en la respiración o la producción de etileno, son clasificadas como climatéricas y no climatéricas (Biale and Young, 1981) (Ayub et al., 1996; citado en: Wang et al., 2009) (Borges et al., 2011). Las frutas climatéricas o carnosas son objeto de deterioro masivo durante el manejo en poscosecha, caracterizado por excesivo reblandecimiento y cambios en el sabor, aroma y color de la cáscara (Khan and Singh, 2007) (Bennett and Labavitch, 2008), que se traduce en pérdidas económicas significativas en todo el mundo (Bapat et al., 2010), aspecto que contrasta con la demanda existente durante todo el año (Guerra y Casquero, 2005), lo que hace imperante el desarrollo de estrategias para prolongar las condiciones de la fruta durante la etapa de poscosecha, extensibles a la fase de consumo, posterior a la comercialización.

Las importancia en el manejo del

proceso de maduración de la fruta radica en que estas condiciones determinan características relacionadas con la aceptación por parte del consumidor, así como del tiempo de consumo del producto, siendo la madurez y el

reblandecimiento los principales atributos de perecibilidad en las frutas climatéricas, dado que al cabo de pocos días, se consideran no comestibles debido a la sobremaduración (Bapat et al., 2010). El crecimiento y desarrollo de la futa es controlado por la producción de hormonas, las cuales son susceptibles a los cambios ambientales (McClellan and Chang, 2008), entre las cuales se encuentra el etileno, un compuesto gaseoso simple que contiene dos átomos de carbono, cuatro de hidrógeno y un doble enlace (C2H4) (Bradford, 2008), que en su papel de hormona controla muchos procesos en la plantas superiores, como la senescencia de los órganos, respuesta al estrés, germinación de la semilla (Owino et al., 2006) (Zhu and Zhou, 2007) (Jiang et al., 2011) (Oms-Oliu et al., 2011) (Zheng et al., 2013), cicatrización de heridas (Capitani et al., 1999), además de las interacciones con otras hormonas e iones metálicos (Cervantes, 2002), y ha sido identificado como la principal hormona que inicia y controla el proceso de maduración de la fruta (Galliard et al., 1968) (Abeles et al., 1992) (Shiomi et al., 1996) (Feng et al., 2000) (Lara y Vendrell, 2003) (Calvo, 2004) (Owino et al., 2006) (McClellan and Chang, 2008) (Pech et.al., 2008) (Asif et al., 2009) (Wang et al., 2009) (Bapat et al., 2010). Otros atributos biológicos y efectos benéficos del etileno sobre las frutas se muestran en la tabla 1.

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Tabla 1. Atributos biológicos y efectos benéficos del etileno sobre las frutas.

Atributos biológicos Efectos benéficos sobre la fruta

Gas incoloro. Promueve el desarrollo de color.

Compuesto de ocurrencia natural. Estimula la maduración climatérica.

Se difunde rápidamente dentro del tejido. Promueve el desverdizado en cítricos.

Producido a partir de metionina vía ACC por una ruta metabólica altamente regulada.

Estimula la dehiscencia en nueces.

Síntesis inhibida (retroalimentación negativa) por C2H4 en el tejido reproductivo vegetal.

Altera la expresión sexual en cucurbitaceae.

Síntesis promovida (retroalimentación positiva) por C2H4 en tejido climatérico reproductivo.

Promueve el florescimiento en bromeliaceae.

Requiere O2 para ser sintetizado y O2 y bajos niveles de CO2 para ser activado.

Reduce los depósitos de cereales por inhibición de la elongación del tallo.

Fuente: Saltveit, 1999.

Algunos de los principales aportes a la elucidación de la ruta biosintética del etileno fueron suministrados por Adams y Yang en 1979 (Shiomi et al., 1996) (Saltveit, 1999), así como por Shang Fa Yang, quien realizó experimentos in vitro e in vivo para explorar los intermediarios potenciales y mecanismos de conversión de metionina a etileno (Bradford, 2008). Posteriormente, se determinó que el desencadenamiento de la producción del etileno puede darse por señales diferentes al proceso natural de maduración, como la respuesta a heridas mecánicas, auxinas y germinación de semillas (Ishida, 2000) (Abeles et al., 1992). En frutas como tomate (Lycopersicon esculentum, cv. VFNT Cherry), se ha demostrado la producción de etileno los tejidos y la explosión de este, no solo durante la maduración, cuando la fruta se torna de verde a roja, sino también en diversas fases tempranas de desarrollo (Ishida, 2000).

Afectar la biosíntesis del etileno durante

la maduración en la fruta carnosa ha sido el intento más importante para detener el deterioro en poscosecha (Bapat et al.,

2010), puesto que una vez la maduración ha sido iniciada, el proceso es incontrolable (Jiang et al., 2011). La estrategia frente a esta condición se circunscribe a la elongación máxima del periodo comprendido entre la madurez de recolección y la gustativa (Guerra y Casquero, 2005), y la mayor parte de los procedimientos utilizados para limitar la biosíntesis de etileno se enfocan en el aumento o disminución de la temperatura y la modificación de atmósfera en la que se conservan los frutos (Mathooko et al., 1995a) (Mathooko et al., 1995b) (Gorny y Kader, 1996) (Burdon et al., 1996) (Beaudry, 1999) (Saltveit, 1999) (Stow et al., 2000) (Antunes and Sfakiotakis, 2000) (Antunes and Sfakiotakis, 2002a) (Antunes and Sfakiotakis, 2002b) (Lara y Vendrell, 2003) (Zhu and Zhou, 2007) (Asif et al., 2009).

En cuanto a la adición de compuestos

químicos, alternativa de intervención en auge para retrasar la producción de etileno (Gouble et al., 1995) (Mathooko et al., 1995a) (Burdon et al., 1996) (Stavroulakis and Sfakiotakis, 1997) (Feng et al., 2000) (Zhu and Zhou, 2007)

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(Villalobos-Acuña et al., 2011), se ha determinado la existencia de dos grupos de antagonistas del etileno: los compuestos potencialmente tóxicos o tratamientos que pueden actuar como metabolitos inhibidores (dióxido de carbono en alta concentración, etanol, radiación gama) e inhibidores competitivos (iones de hierro, norbornadieno y otras olefinas cíclicas) (Gouble et al., 1995). A pesar de los avances logrados, existen factores que limitan la utilización de inhibidores de etileno relacionados con la probabilidad de exposición de los productos agrícolas, teniendo en cuenta que algunos inhibidores tiosulfato de plata pueden ser tóxicos y otros como el 2,5-norbornadieno poseen olor fuerte olor y naturaleza corrosiva (Feng et al., 2000). Además, se debe considerar la posible exposición a etileno exógeno, señal a la cual también responden las plantas para efectos de la maduración de la fruta (Zaharah et al., 2013) y la consideración bajo la cual, el etileno afecta la expresión de muchos genes relacionados con la maduración a través de proteínas especializadas (Zheng et al., 2013), aunque, en las frutas climatéricas también existe la regulación independiente del etileno (Pech et al., 2008).

Por otra parte, el estudio del

comportamiento de la familia de genes responsables de la maduración de las frutas, a través de los genes de expresión en las diferentes etapas (Capitani et al., 1999) (Stearns and Glick, 2003) (Bennett and Labavitch, 2008) Pech et al, 2008) (McClellan and Chang, 2008) (Bapat et al., 2010) (Mworia et al., 2010) (Jiang et al., 2011) (Villalobos-Acuña et al., 2011), y bajo el suministro de estímulos como el oxigeno limitado (Asif et al., 2009), auxinas (Owino et al., 2006) y sus relaciones con otros mecanismos coadyuvantes de la

maduración, como los cambios en regulación hormonal de los genes que codifican las proteínas de la pared celular (Bennett and Labavitch, 2008) han dilucidado la respuesta generadas por el etileno, para una mayor comprensión sobre su rol en dicho proceso y las condiciones que lo afectan. La presente revisión enfoca los avances obtenidos en la elucidación de la ruta de biosíntesis del etileno, así como los factores físicos y químicos que condicionan el proceso.

Biosíntesis del etileno El etileno es producido en la mayoría

de los tejidos de plantas (Stearns and Glick, 2003) (Oms-Oliu et al., 2011), existiendo dos sistemas distintivos de biosíntesis, basados en la naturaleza y cantidad del etileno producido durante el crecimiento y desarrollo de la planta y la fruta (Gorny y Kader, 1996) (Stavroulakis and Sfakiotakis, 1997) (Lara y Vendrell, 2003) (Owino et al., 2006). En el sistema 1 se produce etileno a bajo nivel, de carácter autoinhibitorio, para contribuir a los niveles basales de la planta y la fruta no climatérica, mientras el sistema 2 atañe a una producción de etileno a nivel superior autorregulatoria durante la maduración climatérica (Lara y Vendrell, 2003) (Asif et al., 2009) (Bapat et al., 2010), de manera que, en el inicio de la maduración, la fruta climatérica exhibe un punto máximo en la respiración, seguido por una explosión en la producción de etileno (Mathooko et al., 1995a), mientras en la fruta no climatérica, la maduración es independiente del etileno, el cual está presente solo a un nivel basal (Asif et al., 2009). Además, la explosión climatérica de la producción de etileno estimula los genes responsables de la biosíntesis del etileno (McMurchie et al., 1972; citado en: Lara y Vendrell, 2003)

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(Nakatsuka et al., 1998; citado en: Asif et al., 2009).

Tal como se aprecia en la figura 1, la

biosíntesis del etileno inicia con la conversión de metionina a S-adenosil metionina (SAM) por adición de adenina; SAM es un metabolito primario, crucial en el metabolismo de poliaminas y precursor de muchas otras rutas, como las de biosíntesis de lignina y la metilación de los ácidos nucleicos y proteínas, por tanto, abundante dentro de los tejidos de la planta (Cervantes, 2002) (Stearns and Glick, 2003). SAM se convierte luego en ácido 1-aminociclopropano-1-carboxilico (ACC) y 5´-metiltioadenosina (MTA), reacción catalizada por la ACC sintasa (ACS) (Capitani et al., 1999) (Cervantes, 2002) (Jiang et al., 2011), que es una enzima perteneciente a la familia de las dependientes de piridoxal-5´-fosfato y que comparte un nivel de secuencias similares con otros miembros de esta familia, como aspartato aminotransferasa (AATasa) y tirosina aminotransferasa (TATasa) (Alexander et al., 1994; citado en: Capitani et al., 1999), y la cual es considerada

como enzima clave, puesto que es inducida por muchos estímulos y mantiene un rol en la regulación de la producción de etileno en muchos tejidos de plantas (Abeles et al., 1992). Además, la MTA es reciclada a metionina, lo cual permite que los niveles de metionina permanezcan relativamente inalterados incluso durante altas tasas de producción de etileno (Abeles et al., 1992).

Finalmente, el ACC es oxidado por la

enzima ACC oxidasa (ACO) para formar etileno, (Saltveit, 1999) (Ishida, 2000) (Cervantes, 2002) (Bradford, 2008); la enzima está presente en la mayoría de los tejidos a niveles muy bajos pero sufre incrementos en la actividad de maduración de la fruta y en la respuesta a la exposición al etileno (Owino et al., 2006) (Mworia et al., 2010), además, parece estar asociada a la membrana y su actividad se pierde con el fraccionamiento celular (Bradford, 2008). La oxidación en cuestión requiere la presencia de oxigeno y bajos niveles de dióxido de carbono para activar la ACO (Saltveit, 1999).

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Figura 1. Ciclo de Yang para la biosíntesis de etileno. Fuente: Bradford, 2008.

Tomando en cuenta la ruta completa de biosíntesis del etileno, el mecanismo catalítico de conversión de SAM a ACC es una de las etapas determinantes en el proceso de maduración de la fruta climatérica, puesto que constituye la diana de algunos de los factores físicos y químicos suministrados para retardar la biosíntesis del etileno (Gouble et al., 1995) (Saltveit, 1999) (Zhu and Zhou, 2007) (Mworia et al., 2010). Tal como se puede

apreciar en la figura 2, la conversión de SAM a ACC involucra 4 etapas: una aldimina interna intermedia con la lisina, una aldimina externa intermedia con SAM, la conversión de SAM, y la transaldiminación para liberar ACC. Se cree que el grupo NH2 de la Lisina 278 es el que entra en reacción con compuestos como el (ON) nítrico para prevenir la liberación de ACC por la reacción de transaldiminación (Zhu and Zhou, 2007).

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Figura 2. Mecanismo catalítico para la conversión de SAM a ACC. Fuente: Zhu and

Zhou, 2007.

Regulación de la biosíntesis del etileno

La regulación en varios niveles de maduración de la fruta climatérica incluye la biosíntesis del etileno, su percepción por las células blanco a través 5 receptores de proteínas: receptor de etileno 1 (ETR1), receptor de etileno 2 (ETR2), etileno insensitivo 4 (EIN4), sensor de respuesta de etileno 1 (ERS1) y sensor de respuesta de etileno 2 (ERS2), los cuales se unen al etileno con la ayuda de un cofactor de cobre en el dominio de la transmembrana (Stearns and Glick, 2003), la cascada de señales de transducción que involucra reguladores positivos y negativos (CTR, EIN2, EIN3 etc.) y finalmente la regulación de la expresión del gen por factores de transcripción como los factores de respuesta de etileno (ERFs) (Bapat et al., 2010).

La producción de etileno asociada a la

maduración tiene como enzimas reguladoras principales a la ACS y ACO (McClellan and Chang, 2008), las cuales muestran regulación diferencial en la respuesta a un rango de estímulos ambientales y de desarrollo (Cervantes, 2002). A pesar que la producción de ACC es frecuentemente controlada por la síntesis de etileno, la cantidad de ACC disponible para la producción de etileno puede ser incrementada por factores que aumentan la actividad de ACS, reducida por aplicación de reguladores de crecimiento o disminuida por una reacción secundaria denominada malonilación (figura 1) que forma ácido 1-malonilamino-ciclopropano-1-carboxilico (MACC), una fuente desfavorable para la conversión a etileno (Saltveit, 1999) (Bradford, 2008). Se ha sugerido que la conversión de SAM

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a ACC es una etapa de compromiso en la biosíntesis de etileno, dada la condición lábil de la enzima ACS y puesto que el gen para esta enzima es parte de una familia multigen (al igual que el gen de la ACO) (McClellan and Chang, 2008), existiendo considerable evidencia que indica que la transcripción a diversas formas es inducida bajo diferentes condiciones medioambientales y fisiológicas (Theologis, 1992; citado en: Stearns and Glick, 2003). De cualquier modo, la síntesis disminuida de ACC o su conjugación a MACC podría derivar en una rápida disminución de la producción de etileno, al disminuir los niveles de ACC libres dentro del tejido de la planta (Abeles et al., 1992) (Mathooko et al., 1995a). Excepto en la fruta en maduración, parece que ACS y ACO son enzimas inducibles (Stearns and Glick, 2003), y se ha reportado que factores como el estrés por la luz, dióxido de carbono, oxigeno y agua, influencian la conversión de ACC a etileno (Bradford, 2008).

A nivel transmembranal, las proteínas

receptoras de etileno, relacionadas con los dos componentes de señalización de proteínas que poseen un sensor y un regulador de la respuesta actúan de manera tal que la eliminación del receptor resulta en la activación de la respuesta del etileno, sugiriendo que el receptor actúa como un regulador negativo de la respuesta de etileno (Gamble et al., 2002). Para la biogénesis de las proteínas receptoras del etileno se requiere del cobre, que es incorporado en la posición hidrofóbica de estas de manera que en ausencia del ion cobre, el receptor no puede de encender la respuesta de represión del etileno (McClellan and Chang, 2008). El rol de la proteína receptora en la señalización de etileno es prevalente, afectando la respuesta de

etileno en tres puntos de separación (biosíntesis, percepción y transcripción) (Stearns and Glick, 2003).

Naturalmente, estos mecanismos son

limitados en la medida en que no existan niveles suficientes de metionina, como precursor de iniciación de la síntesis de etileno. Para sostener las tasas observadas de síntesis de etileno, se ha sugerido que en la formación de ACC, el grupo metiltio, a partir de la metionina podría ser ligado a una molécula de homocisteína existente para formar una nueva molécula de metionina, reponiendo los niveles de metionina requerido para la nueva biosíntesis de etileno (Bradford, 2008).

Condiciones promotoras y factores físicos y químicos que alteran la biosíntesis del etileno

El mismo mecanismo que produce

etileno para el desarrollo y maduración de la fruta es generado por condiciones de estrés (Stearns and Glick, 2003), sin embargo, estas condiciones también inducen otros cambios fisiológicos como el mejoramiento de la respiración, lo que dificulta deducir si es el estrés per se o uno de los cambios inducidos por estrés el que produce el efecto madurativo (Saltveit, 1999). La figura 3 dimensiona el efecto de las condiciones de estrés sobre el aumento de los niveles de producción de etileno en las plantas, de manera que la fruta alcanza un pico productivo de mayúsculas proporciones al cabo de 2-3 días. El estrés compromete inductores como refrigeración, calor, heridas mecánicas, infección por patógenos y estrés nutricional (Abeles et al., 1992) (Capitani et al., 1999) (Ishida, 2000) (Paull and Chen, 2000) (Stearns and Glick, 2003).

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Figura 3. Comportamiento en los niveles de producción de etileno al suministrar condiciones generadoras de estrés en las plantas. Fuente: Stearns and Glick, 2003.

Como se muestra en la tabla 2, se han

desarrollado diversas investigaciones con el propósito de develar el comportamiento del proceso de biosíntesis del etileno debido al efecto de diferentes condiciones de tratamiento físico y químico. Se puede apreciar que entre los compuestos retardantes de la biosíntesis de etileno que

más se hallaron se encuentran el 1-metilciclopropeno (1-MCP), el propileno y el etileno exógeno, mientras que la administración de temperaturas y atmósferas resaltan como factores físicos principalmente utilizados para estimular o retardar su biosíntesis.

Tabla 2. Efecto de algunos tratamientos físicos y químicos sobre la biosíntesis del etileno.

Tratamiento

Efecto sobre el etileno o la fruta

Fuente de reporte

Etileno exógeno

Estimulante de la biosíntesis del etileno, calidad y bioactividad

(Shiomi et al., 1996) (Liu et al., 2007) (Mworia et al., 2010) (Seo et al., 2013) (Zheng et al., 2013)

Ozono Oxidante del etileno (Saltveit, 1999)

Temperatura (0-10°C)

Estimulante de la biosíntesis del etileno

(Larrigaudiere et al., 1997) (Lara y

Vendrell, 1998) (Antunes and Sfakiotakis, 2002a)

Temperatura (> 30°C)

Retardante de la biosíntesis del etileno

(Sozzi et al., 1996) (Paull and Chen,

2000) (Mitchell, 1986; citado en: Antunes and Sfakiotakis, 2000) (Antunes and Sfakiotakis, 2000)

CO2

Inhibidor de la biosíntesis del etileno

(Mathooko et al., 1995a) (Dourtoglou et al., 1995) (Mathooko, 1996) (Beaudry, 1999)

O2

Necesario para la biosíntesis del etileno

(Stavroulakis and Sfakiotakis, 1997) (Stow et al., 2000) (Antunes and Sfakiotakis, 2002b)

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Ácido abscisico

Estimulante de la actividad de las enzimas de biosíntesis ACS y ACO

(Lara y Vendrell, 1998) (Zaharah et al., 2013)

Óxido Nitroso y Nítrico

Retardante de la biosíntesis del etileno

(Gouble et al., 1995) (Zhu and Zhou, 2007)

Propileno

Estimulante de la biosíntesis del etileno

(Stavroulakis and Sfakiotakis, 1997) (Antunes and Sfakiotakis, 2000) (Mworia et al., 2010)

Aminovinilglicina

Retardante de la biosíntesis del etileno

(Ishida, 2000)

(1-MCP)

Retardante de la biosíntesis de etileno

(Shiomi et al., 1996) (Feng et al., 2000) (Lara y Vendrell, 2003) (Calvo, 2004) (Owino et al., 2006) (Khan and Singh, 2007) (Dussán et al., 2008) (Mworia et al., 2010) (Villalobos-Acuña et al., 2011) (Yang et al., 2013)

Acetaldehído y etanol (en anaerobiosis)

Retardante de la biosíntesis del etileno (Burdon et al., 1996) (Pesis, 2005)

Ácido Nordihidroguairetico

Retardante indirecto de la biosíntesis del etileno a partir de la inhibición del ácido abscisico

(Zaharah et al., 2013)

Aceite de oliva

Estimulante de la síntesis del etileno

(Lara y Vendrell, 2003). (Owino et al., 2006)

Efecto de la atmósfera y la

temperatura administrada sobre la biosíntesis del etileno. Se ha establecido que en conjunto, la presión parcial reducida de O2 y la presión parcial mejorada de CO2 provocan una inhibición de la respuesta de etileno (Mathooko, 1996) (Beaudry, 1999). Para remover el etileno se recurre a dilución por adecuada ventilación del aire con evacuación hacia el exterior, o al uso de químicos que remueven el etileno de la atmósfera (Saltveit, 1999). En kiwi (Actinidia deliciosa cv. Hayward), el almacenamiento a bajo nivel de oxigeno mostró drásticamente reducida la capacidad de producción de etileno, debido a la baja ACO más que la producción reducida de ACC o la actividad de ACS (Antunes and Sfakiotakis, 2002a), mientras en naranja la reducción de etileno a partir de la atmósfera con bajo dióxido de carbono y bajo nivel de oxigeno de almacenamiento fue más efectiva que la generada bajo nivel de dióxido de carbono y alto nivel de oxigeno (Stow et al., 2000). El uso de periodos cortos de

anaerobiosis previo al almacenamiento permite retardar el proceso de maduración en frutas debido a que la anaerobiosis causa la producción de acetaldehído que es luego convertido a etanol (ambos son retardantes de la maduración de la fruta al inhibir la producción del etileno) (Pesis, 2005), aunque por separado no parecen tener efecto sobre la maduración (Burdon et al., 1996). Se ha planteado que el acetaldehído ejerce directamente inhibición de la ACO dada la naturaleza electrofílica del carbono carbonil del acetaldehído que le permite reaccionar con grupos nucleofílicos, de manera que el acetaldehído se uniría a los grupos amino libres en las proteínas para formar cambios en las bases (Burdon et al., 1996). Por su parte, la producción reducida de etileno con bajo oxigeno puede estar relacionada con la inhibición de la actividad de ACS (Stavroulakis and Sfakiotakis, 1997).

En el caso de la temperatura, se han

encontrado múltiples evidencias que dan

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cuenta del etileno como indicador sensible al estrés por calentamiento; se ha considerado que las temperaturas por encima de 35 °C inhiben la maduración de muchas frutas, aunque se podrían generar desordenes fisiológicos (Mitchell, 1986; citado en: Antunes and Sfakiotakis, 2000) (Sozzi et al., 1996), y la inhibición de la síntesis de etileno por altas temperaturas es irreversible (Paull and Chen, 2000). El estrés resultante a partir de altas temperaturas parece inhibir la enzima ACO más que la ACS, producto probablemente, de las diferencias en sus tasas de activación (Paull and Chen, 2000) y del deterioro de las membranas celulares, lo cual afectaría la ACO asociada a la membrana, aunque la ACO se recupera más rápido cuando cesa el factor de inhibición (Field, 1985; citado en: Antunes and Sfakiotakis, 2000).

En el caso contrario, el nivel más bajo

recomendado para la fruta retarda la biosíntesis del etileno (Saltveit, 1999), pero tal condición es dependiente del tiempo de exposición (Antunes and Sfakiotakis, 2000). En kiwi ((Actinidia deliciosa cv. Hayward), después de 12 días, la fruta mantenida a 0 °C tuvo una mayor capacidad de producir etileno que a mayores temperaturas, pero después de 17 días, la fruta a 0 °C tuvo menos capacidad para producir etileno que las mantenidas a 15 °C (Antunes and Sfakiotakis, 2002b). También en manzanas (Malus domestica Borkh) mantenidas en refrigeración el frío indujo la el aumento de los niveles de etileno, a expensas de la aceleración de los niveles de ACC y ACS (Larrigaudiere et al., 1997).

Efecto del etileno exógeno y homólogos del etileno sobre la biosíntesis del etileno.

La respuesta del tejido a la exposición a

etileno exógeno depende de la sensibilidad del tejido, concentración del etileno, composición de la atmósfera, duración de la exposición, y temperatura (Saltveit, 1999), aunque su aplicación genera una maduración más rápida y uniforme en la fruta, dependiendo primordialmente del tipo de fruta y etapa de desarrollo (Mworia et al., 2010) (Seo et al., 2013). El etileno exógeno acelera la maduración en bananas (Musa sapientum L.) (Inaba, 2007; citado en: Mworia et al., 2010), kiwi (Actinidia chinensis ‘Sanuki Gold’) (Mworia et al., 2010), mango (Mangifera indica L. cv. ‘Kensington Pride’) (Zaharah et al., 2013), mientras en tomate común (Lycopersicon esculentum var. commune) no induce el proceso (Yang, 1987; citado en: Saltveit, 1999). Se ha considerado que los receptores de etileno funcionan como reguladores negativos de la ruta de señalización de etileno, de tal manera que su disminución aumenta la sensibilidad al etileno, pero a medida que la madurez progresa, se disminuye la sensibilidad al etileno exógeno (Mworia et al., 2010). En maracuyá púrpura (Passiflora edulis Sims.), la aplicación de 1000 ppm de etileno por 24 horas no indujo el inicio más temprano de la producción de etileno endógeno y no afectó el contenido de ACC y la actividad de ACS (aunque la actividad de la ACO se mejoró 1.5 a 2 veces) cuando se aplicó sobre el día de cosecha, pero fue efectiva cuando se aplicó cinco días después de la cosecha (Shiomi et al., 1996).

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Por otra parte, el propileno es un homólogo del etileno que provoca un retraso entre el incremento en la tasa de respiración y la inducción de la producción de etileno por retardo en la formación de ACC, característica aprovechable en las frutas climatéricas (Mworia et al., 2010) (Stavroulakis and Sfakiotakis, 1997); sin embargo, la acción del propileno parece depender de la presencia de niveles de oxigeno entre el 1 y el 5% (que afectan la ACS), debido a que frutas como el kiwi “Hayward” (Actinidia deliciosa), tratada con propileno se presentó una reducción del 50% en la tasa de maduración al utilizar oxigeno al 1%, mientras que los niveles de oxigeno entre 21 y 10% no mostraron diferencia alguna en la tasa de maduración (Stavroulakis and Sfakiotakis, 1997). El kiwi (Actinidia deliciosa cv. Hayward) también ha sido evaluado en función de la producción del etileno bajo inducción por el propileno de manera concomitante con altas temperaturas, encontrándose un retraso de 24 horas a 30 y 34°C, y 48 horas a 38°C, con diferencias en la tasa de respiración entre la fruta tratada con o sin propileno a 38°C pero sin diferencia por encima de 40°C, lo que sugiere que la fruta no percibe el etileno en alta temperatura (Antunes and Sfakiotakis, 2000). El polipropileno ha sido probado también a 20°C en cosecha de kiwi (Actinidia deliciosa cv. Hayward), produciéndose etileno con un periodo de retraso de tres días, constatando la dependencia de la temperatura para el funcionamiento del propileno como promotor del proceso madurativo (Antunes and Sfakiotakis, 2002b).

Efecto del 1-MCP sobre la biosíntesis

del etileno. El 1-MCP es una oleofina cíclica sintética que en la etapa de maduración de la fruta suprime la producción de etileno a través de la

inhibición de la expresión ACS y ACO (Mworia et al., 2010) (Yang et al., 2013). Dado que el etileno debe unirse a algún receptor de la célula para inducir la cascada de efectos fisiológicos, se cree además que 1-MCP ejerce algún tipo de inhibición competitiva por estos sitios de unión (Calvo, 2004). Por ser un gas no fitotóxico, insípido y efectivo a bajas concentraciones lo cual lo hace candidato para el uso comercial (Feng et al., 2000). La duración de la insensibilidad al etileno en frutas tratadas con 1-MCP varía considerablemente a través de las especies de plantas, puesto que en kiwi (Actinidia deliciosa cv. Hayward) puede extenderse cinco días (Mworia et al., 2010), y determina en gran medida el rendimiento potencial de la prolongación del almacenamiento y la vida útil. Se ha demostrado que el tratamiento de kiwi (Actinidia chinensis ‘Sanuki Gold’) con 5,

−1 de 1-MCP suprime significativamente la producción de etileno (Mworia et al., 2010). En manzanas (Malus domestica Borkh L. cv. Granny Smith), la producción de etileno durante la maduración es estimulada por 1-MCP e inhibida por propileno, indicando que la maduración de etileno en la furta es autoinhibitoria (Lara y Vendrell, 2003). A partir del bloqueo de los receptores de etileno y de la reducción de la actividad de las enzimas ACS y ACO por 1-MCP se ha evidenciado el retraso de la producción de etileno (subsecuente al retraso en la biosíntesis de nuevos receptores) y el ablandamiento de la frutas como la manzana (Malus domestica Borkh.) (Yang et al., 2013), lo cual podría depender del cultivo, etapa de madurez en cosecha, concentración aplicada, duración de la exposición y temperatura de la fruta en el tiempo de aplicación de 1-MCP (Khan y Singh, 2007). El retraso de la maduración mediado por 1-MPC también ha sido

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probado en aguacate con efecto inhibidor, probablemente por el bloqueo de los sitios de unión del receptor de etileno, extendido cerca de 2 semanas, tiempo después del cual, la fruta reanudó una maduración normal, lo que indica que posteriormente se vuelven a formar los sitios de unión que han sido disociados a partir de 1-MCP (Feng et al., 2000). Al tratar peras del

cultivo “Bartlett” con 0.3L L−1 de 1-MCP por 12 horas a 20°C también se generó un decrecimiento en la producción de etileno a expensas de la disminución de la actividad de ACS y ACO, pero además, se estableció que estas enzimas también recuperaban actividad posterior a la inhibición de 1-MCP con enfriamiento (Villalobos-Acuña et al., 2011). En granadilla común (Passiflora ligularis

Juss), la aplicación de 1-MCP (600 L L-1 y 60 segundos) prolongó la vida útil de la fruta por 15 días (Dussán et al., 2008). También en peras del cultivo “Williams”, el 1-MCP fue efectivo para reducir la tasa de maduración y la pérdida de calidad de los frutos (Calvo, 2004).

Efecto de otros compuestos

utilizados sobre la biosíntesis del etileno. El ABA es un derivado carotenoide de condición hormonal. En manzanas (Malus domestica Borkh L. cv. Granny Smith), la acumulación de ABA endógeno, inducida por refrigeración, ha sido asociada a altas tasas de biosíntesis de etileno (Lara y Vendrell, 1998). ABA es crítico para el inicio de la maduración de frutas como mango (Mangifera indica L. cv. ‘Kensington Pride’) (aplicado en concentración de 1.0 mM) a través de su rol en la activación del pico climatérico de producción del etileno, dos días después de su aplicación, producto del incremento en las enzimas ACO y ACS y mayor contenido del ACC en la pulpa (Zaharah et al., 2013). El efecto de ABA en el aumento

de ACO y ACS, ha sido demostrado en manzanas (Malus domestica Borkh L. cv. Granny Smith) jugando un rol potenciador en la biosíntesis del etileno inducida por frío (Lara y Vendrell, 2003).

Las auxinas también estimulan la

producción de etileno en variados tejidos de plantas mediante la promoción de la síntesis de novo (Owino et al., 2006). En higos (Ficus carica L.) tratados con auxinas, se presenta una inducción de la producción de etileno a partir del día 4. Además, la aplicación de la auxina sintética ácido 3,5,6-tricloro-2-piridiloxiacetico (3,5,6-TPA) en pera a etapa climatérica es efectiva en la elevación de la producción de etileno al promover el aumento del contenido de ACC y actividad de ACO (Owino et al., 2006).

Como un mensajero inter e intracelular

involucrado en un vasto proceso fisiológica y patofisiológica, el ON interactúa directamente con moléculas biológicas a bajas concentraciones (Zhu and Zhou, 2007). El óxido nitroso también puede inhibir la síntesis de ACS, disminuyendo la acumulación de ACC y consecuentemente la conversión en etileno en tomate durante las etapas preclimatérica y climatérica, de manera similar al dióxido de carbono, pero sin efecto tóxico (Gouble et al., 1995). En estudios realizados en fresa se encontraron hallazgos similares, puesto que se determinó que el uso de ON

-1 de nitroprusiato de sodio inhibe significativamente la producción de etileno al afectar la actividad de la ACS, reduciendo el contenido de ACC (Zhu and Zhou, 2007).

El diazociclopentadieno (DACP) es un

compuesto que se une a los sitios de

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unión del etileno en las plantas, bloqueando su capacidad de respuesta (Blankenship and Sisler, 1993; Sisler and Blankenship, 1993a; citado en: Mathooko et al., 1995a). Otro inhibidor del etileno es la aminovinilglicina (AVG), el cual afecta la conversión de SAM a ACC por la ACS, así como la incorporación de metionina a la ruta. En tomate (Lycopersicon esculentum, cv. VFNT Cherry), al utilizarse concentraciones no tóxicas de AVG, la inhibición promedio fue del 95% (Ishida, 2000). El permanganato de potasio, el ozono y algunos absorbentes inertes son también utilizados para oxidar el etileno (Saltveit, 1999).

Actualmente se exploran estrategias

como el uso de ACO antisentido a través de manipulación genética, que estimula el consumo de oxigeno e inhibe el efecto del etileno sobre la respiración (Pech et al., 2008). Estos podrían aplicarse para anular los cambios de desarrollo específicos de manera que se permita retrasar la maduración (Saltveit, 1999).

Conclusiones

La ruta metabólica de biosíntesis del etileno ha sido intervenida en diferentes investigaciones, principalmente con propósitos de retardar la el proceso madurativo, mediante el uso de factores físicos entre los que se destacaron las atmósferas modificadas y el suministro de determinadas temperaturas dependiendo de la fruta y su estadio madurativo, e igualmente, a través de la adición de compuestos químicos entre los que se destacaron el 1-MCP, el propileno y el etileno exógeno. El retardo de la biosíntesis del etileno han tenido como diana primordial la conversión de SAM a ACC, por ser una etapa susceptible de ser

alterada por diferentes factores y puesto que la enzima ACS, que cataliza dicha conversión, tiene una recuperación más limitada que la ACO. El abordaje de los cambios generados en los genes que controlan la biosíntesis del etileno frente a los diferentes factores, permitirá un conocimiento integral en torno a la manipulación de la ruta biosintética del etileno, para beneficio de la obtención de procesos madurativos controlados y con atributos de calidad acorde a las exigencias del sector de consumo y la reglamentación existente.

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