13 Etileno

Histórico da descoberta

O etileno (C H ), um hidrocarboneto insaturado gasoso, representa uma das 2 4

moléculas orgânicas mais simples com atividade biológica entre as centenas de compostos voláteis produzidos pelas plantas.

Os estímulos à biossíntese de etileno ou à exposição das plantas a concentrações biologicamente eficazes desse gás foram (e continuam sendo) empregados na manipulação de várias culturas e nas práticas de pós-coleta. Um dos exemplos mais antigos, a prática de fazer incisões em frutos de figo (Ficus sycomurus) para estimular o amadurecimento, data do início da civilização egípcia. Sabe-se, hoje, que esses ferimentos são indutores da síntese de etileno.

Em 1893, verificou-se nos Açores que a fumaça produzida pela queima de serragem de madeira promovia a floração em plantas de abacaxi cultivadas em casa de vegetação. Quarenta anos mais tarde, produtores dessa fruta em Porto Rico passaram a induzir a floração, expondo as plantas à fumaça durante 12 h.

No século 19, usava-se o gás como fonte de iluminação. Fahnestock (1858) observou que esse gás danificou uma coleção de plantas mantidas em casa de vegetação na Filadélfia, causando senescência e abscisão das folhas. Após alguns anos, em 1864, danos em árvores próximas a vazamentos desse gás foram relatados por Girardin, que identificou o etileno como um dos seus componentes.

A descoberta do etileno como um componente biologicamente ativo do gás de iluminação foi feita por Dimitry Nikolayevich Neljubow, um jovem estudante russo do Instituto de Botânica da Universidade de São Petersburgo. Em 1901, Neljubow verificou que a aplicação de 0,06 μℓ l–1 de etileno em plantas de ervilha que cresceram no escuro produzia três respostas no caule: inibição do alongamento, aumento radial

(intumescimento) e uma orientação horizontal desse órgão (Figura 13.1), fenômeno cunhado posteriormente de resposta tríplice.

A primeira indicação de que o etileno compreendia um produto natural dos tecidos vegetais foi registrada por Cousins, em 1910. Esse pesquisador sugeriu ao governo da Jamaica que o amadurecimento prematuro das bananas poderia ser evitado se essas frutas não fossem armazenadas com laranjas. As laranjas, apesar de não produzirem tanto etileno quanto outros frutos, poderiam estar infectadas por Penicillium, o que acarretaria o amarelecimento e a abscisão de frutos, conforme observado em limoeiro por Biale, em 1940.

Entre 1917 e 1937, foram realizados vários estudos sobre o efeito do etileno no amadurecimento de frutos. Em 1933, Botjes observou que o etileno liberado por maçãs maduras provocava epinastia foliar (curvatura para baixo) em plântulas de tomate e alterações no desenvolvimento de caules estiolados de ervilhas. Gane, um cientista inglês, apresentou, em 1935, provas químicas de que o etileno era produzido por plantas. Finalmente, os pesquisadores Crozier, Hitchock e Zimmerman (1935) sugeriram que o etileno seria um regulador endógeno de crescimento, e poderia ser considerado um hormônio do amadurecimento.

A partir da metade da década de 1930 até o final dos anos 1950, o interesse dos fisiologistas de plantas pelo etileno diminuiu, em virtude da inexistência de técnicas precisas de análise desse gás e da descoberta de novos hormônios. Em 1959, o interesse pelo etileno foi intensificado quando os norte-americanos Burg e Stolwijk e os australianos Huelin e Kennett demonstraram as potencialidades da cromatografia gasosa como uma técnica analítica para a sua quantificação, possibilitando inúmeros estudos com esse hormônio. Atualmente, os estudos desse gás têm sido refinados pela adição de detectores de fotoionização e fotoacústicos, favorecendo a quantificação de teores bastante baixos de etileno.

 

Figura 13.1 Representação esquemática de plântulas estioladas de ervilha – (1) plântula em água; (2) plântula tratada com etileno, apresentando no epicótilo: a) inibição do alongamento; b) aumento de expansão radial; c) orientação horizontal de crescimento.

 

Ocorrência do etileno O etileno em atmosfera natural não poluída é encontrado em concentrações de 0,001 a 0,005 μ ℓ l–1. As plantas normalmente não produzem etileno suficiente para alterar os níveis no ambiente ao seu redor. Em locais fechados, ele pode ser acumulado em maiores concentrações, produzindo efeitos fisiológicos nas plantas e causando perdas econômicas.

Em ambiente urbano, o nível pode ser de 10 a 100 vezes maior que o detectado no campo, conforme registrado na Califórnia (0,5 μ ℓ l–1), na Alemanha (0,2 μ ℓ l–1), na Índia (0,1 μℓ l–1) e em Nova York (0,03 μ ℓ l–1), principalmente em dias nublados e sem vento. As principais fontes nesses locais são os automóveis, o fogo e a indústria.

O etileno pode ser produzido por vários organismos, desde bactérias, fungos, algas e musgos até as plantas vasculares, como samambaias, gimnospermas e angiospermas.

Apesar de as bactérias produzirem etileno, pouco é conhecido sobre o papel desse gás na fisiologia desses organismos. Algumas bactérias, como a Mycobacterium paraffinicum, convertem o etileno do solo em óxido de etileno, mantendo o nível desse gás em concentrações apropriadas, já que ele é mais facilmente acumulado no solo que no ar. As bactérias produtoras de etileno promovem a senescência das plantas, facilitando a infecção por microrganismos. Pseudomonas solanacearum, por exemplo, é responsável pela produção de etileno, que causa o amadurecimento prematuro de bananas.

Uma grande quantidade de fungos, como Penicillium digitatum, P. cyclopium, P. velutinum, Mucor hiemalis, Agaricus bisporus, Fusarium oxysporum, Aspergillus clavatus e A. flavus, produz etileno; todavia, sua função ainda é desconhecida. Aparentemente, a produção de etileno não aumenta a patogenia do fungo, provocando indiretamente a senescência da planta.

As algas Chlorella e Acetabularia mediterranea também podem produzir etileno; esta última, possivelmente, pela mesma via biossintética das plantas vasculares. Contudo, a produção de etileno nas plantas não vasculares ocorre por outra via metabólica, pois a aplicação de ACC (precursor do etileno, ver adiante) não aumentou a produção desse gás em Marchantia polymorpha, Funaria polymorpha, Sphagnum cuspidatum, Selaginella wildenovii, Lycopodium phlegmaria, Equisetum hyemale, Trichomanes speciosum, Ophioglossum reticulatum, Salvinia natans e Azolla caroliniana. A possibilidade da existência de uma via primitiva de síntese desse gás, independentemente de ACC, necessita ainda de mais estudos. Em Pteridium aquilinum, Matteuccia struthioptheris e Polystichum munitum, entretanto, a síntese de etileno seria feita pela mesma via das plantas vasculares, pois a sua produção foi promovida pelo ACC e inibida pelo íon cobalto.

O etileno é produzido por todas as partes das plantas vasculares, sendo a taxa de produção dependente do tipo de tecido e do estágio de desenvolvimento. Os tecidos meristemáticos e as regiões nodais geralmente apresentam uma produção elevada desse gás, também observada durante a abscisão de folhas, a senescência de flores e o amadurecimento de frutos (>1 nℓ gmf –1 h–1). Dependendo dos teores de etileno produzido durante esse último processo, os frutos são divididos em climatéricos (com produção de teores elevados de etileno), como a maçã, a banana, o tomate, o abacate e a manga, e não climatéricos (com produção de baixos teores de etileno),

como a laranja, o limão e a uva (ver Capítulo 19). Na germinação, há um aumento na taxa de produção de etileno durante a protrusão da radícula e o desenvolvimento da plântula. Plantas submetidas a estresses físicos ou biológicos, como ferimentos, alagamento, doenças, temperaturas inadequadas ou períodos de seca, geralmente elevam a produção de etileno.

 

Biossíntese e inativação O etileno é um composto simétrico de dois carbonos com uma ligação dupla e quatro hidrogênios, peso molecular de 28,05, densidade relativa no ar de 0,978, inflamável, incolor, com odor adocicado similar ao éter:

 

Algumas substâncias com atividade biológica similar à do etileno, como o propileno e o acetileno, são consideradas análogas a esse gás, sendo moléculas preferencialmente pequenas e com ligações duplas (cadeias longas de carbono contendo ligações triplas têm menor atividade biológica).

A via biossintética do etileno (Figura 13.2) nas plantas vasculares é hoje bem conhecida, tendo sido elucidada por Adams e Yang (1979), que verificaram, com o uso de carbono marcado, a conversão da L-metionina em S-adenosilmetionina (AdoMet ou SAM) e desta nos produtos: ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC), 59-metiltioadenosina (MTA), 59-metiltiorribose e etileno. A metionina é convertida em AdoMet pela enzima AdoMet sintetase. A conversão do AdoMet em ACC e MTA, catalisada pela ACC sintase, corresponde à reação-chave da via biossintética do etileno. O AdoMet também participa da síntese de poliaminas, podendo haver competição por esse substrato entre essa via metabólica e a de etileno. O ACC é convertido em etileno pela ACC oxidase ou a N-malonil ACC (MACC) por ação da malonil transferase. O MACC é uma forma conjugada, não volátil, que se acumula nos tecidos, representando uma etapa regulatória da inativação do ACC. Um segundo conjugado de ACC, o 1-(gama-L-glutamil-amino)ciclopropano-1-carboxílico (GACC), também foi recentemente identificado.

A 5’-metiltioadenosina (MTA), pela MTA nucleosidase, é convertida em 59-metiltiorribose (MTR), e esta em 5’-metiltiorribose-1-fosfato (MTR-1-P), pela ação da MTR cinase. A MTR-1-P gera, por oxidação, o 2-ceto-4-metiltiobutirato (KMB), possivelmente por desidrogenases. O KMB é convertido em metionina por uma transaminase específica, sendo a L-glutamina o doador mais eficiente de amina. Essa sequência de reações a partir da MTA tem a finalidade de reciclar a metionina e o enxofre para o reaproveitamento do grupo metiltio (CH3-S) e a manutenção da produção de etileno.

Figura 13.2 Via de biossíntese do etileno e ciclo de Yang. O aminoácido metionina é o precursor do etileno. A reação catalisada pela ACC sintase, que converte AdoMet a ACC, é uma reação limitante da via de biossíntese do etileno. O grupo CH-S da metionina é 3 reciclado pelo ciclo de Yang. O ACC pode ser conjugado formando o N-malonil ACC ou convertido em etileno. As substâncias AOA (ácido aminooxiacético) e AVG (aminoetoxivinilglicina) são inibidoras da síntese do etileno. Adaptada de Yang (1981) e Yung et al. (1982).

 

Estudar a biossíntese do etileno com as principais enzimas envolvidas nesse processo é importante para compreender a regulação desse hormônio.

A ACC sintase, responsável pela conversão de AdoMet em ACC e MTA, é uma enzima citosólica presente em várias plantas. Em razão de sua baixa disponibilidade e labilidade (p. ex., em tomate, sua meia-vida é de apenas 58 min), a ACC sintase permanece parcialmente purificada. A atividade dessa enzima é dependente de piridoxal 5-fosfato, e inibidores como o AVG (aminoetoxivinilglicina) e o AOA (ácido amino-oxiacético) bloqueiam a conversão de AdoMet em ACC.

Vários laboratórios têm clonado genes da ACC sintase de várias plantas, como arroz, soja e tabaco, e de frutos de tomates e maçãs. A sequência de aminoácidos mostra elevado grau de similaridade com as aminotransferases. Os resultados indicam a existência de isoformas derivadas de uma família multigênica, cada uma codificada por um gene diferente. Em tomateiros, há pelo menos nove genes para a ACC sintase, expressos de maneira distinta nos tecidos, dependendo do desenvolvimento das plantas ou em respostas aos fatores ambientais.

Uma forma da ACC sintase em tomateiro, ACS2, tem sido implicada como uma das principais responsáveis pela síntese autocatalítica do hormônio durante o amadurecimento do fruto. Estudos recentes indicam que essa isoforma (e possivelmente outras) seja regulada por um mecanismo de fosforilação em uma região bem definida da proteína. A princípio, imaginou-se que essa modificação tornaria a enzima ativa, aumentando a síntese do etileno nos frutos do tomateiro, durante o amadurecimento. No entanto, foi observado em experimentos in vitro, com a proteína ACS2 isolada, que, fosforilada ou não, a enzima mantinha o mesmo nível de atividade. Nesse caso, concluiu-se que a fosforilação seria parte de um mecanismo regulatório que só exerceria alguma função in vivo, pois seria dependente da existência de outros componentes celulares.

O papel da fosforilação da ACS2 foi identificado graças a um mutante de A. thaliana denominado superprodutor de etileno 1 (eto1 – ethylene over-producer 1), que, como o próprio nome indica, produz altos níveis do hormônio e apresenta um fenótipo de resposta tríplice constitutiva. A mutação eto1 foi caracterizada como uma deficiência na produção de uma proteína capaz de se ligar na região carboxiterminal de várias formas da ACC sintase. A proteína ETO1, quando ligada à ACC sintase, marca essa enzima e permite, assim, seu reconhecimento pelo sistema de ubiquitinação da célula. Uma vez ubiquitinada, a enzima é degradada pelo complexo de proteases que compõe o proteossomo 26S.

No modelo proposto na Figura 13.3 A, a fosforilação da porção carboxiterminal da ACS2 aumenta a estabilidade da enzima, por impedir a ligação da proteína ETO1 nessa região. Desse modo, a meia-vida da enzima aumenta em relação à sua versão não fosforilada, e a produção de etileno é mantida em níveis elevados. Somente após a ação de uma fosfatase (ainda

não identificada, Figura 13.3 B), a proteína ACS2 é desfosforilada na porção C-terminal, permitindo assim a ligação da proteína ETO1 e marcando a proteína ACS2 para degradação pelo sistema ubiquitina/proteossomo 26S. Dessa forma, os níveis de ACS2 são reduzidos, o mesmo ocorrendo com a produção de etileno.

A atividade da ACC sintase é o ponto regulatório mais importante na produção de etileno, sendo os teores dessa enzima afetados por mudanças ambientais, hormonais e por diversos eventos fisiológicos. O aumento na produção de etileno verificado em certas fases do desenvolvimento, como germinação, amadurecimento de frutos e senescência, ou em resposta a estresses, entre os quais ferimentos mecânicos, seca, alagamento, geadas, infecções e agentes tóxicos, é acompanhado por uma elevação na síntese ou na ativação da ACC sintase.

A conversão de ACC em etileno é produzida por uma enzima oxidativa, mais recentemente conhecida como ACC oxidase (ACO), anteriormente denominada enzima formadora de etileno (EFE). Essa enzima parece estar associada à membrana plasmática ou presente no apoplasto, como evidenciado pela técnica de imunolocalização.

A ACC oxidase também é codificada por uma família multigênica, havendo similaridade entre as enzimas em frutos de abacate, maçã, pêssego e tomate. Neste último, as enzimas induzidas pelos genes ptom13 e ptom5 apresentam 88% de similaridade.

A ACC oxidase purificada de maçãs é um monômero com peso molecular de 35 kDa e uma enzima instável (meia-vida de 2 h). Essa enzima necessita de ferro, ascorbato e CO 2 para a sua atividade, sendo a conversão de ACC em etileno inibida por benzoato de sódio, altas temperaturas, baixa oxigenação e íons cobalto (Co2+).

Figura 13.3 Modelo de regulação da ACC sintase 2 (ACS2). Uma região da porção carboxiterminal da proteína é fosforilada por uma cinase (ainda não identificada). Com isso, a enzima ganha maior estabilidade, e a produção de etileno é aumentada (A). Sob a ação de uma fosfatase, o grupo fosfato é removido, permitindo a ligação da proteína ETO1. Ainda não há um consenso sobre a diminuição da atividade da ACS2 mediada por essa proteína, porém, demonstrou-se que a enzima, ligada à ETO1, é reconhecida pelo sistema ubiquitina/proteossomo 26S e é degradada, provocando, assim, a diminuição dos níveis de etileno no tecido (B).

 

As aplicações de algumas substâncias têm auxiliado nos estudos do etileno em diferentes processos biológicos nas plantas. Íons de prata (Ag+), por exemplo, mostraram-se como inibidores potentes e específicos da ação do etileno, tendo como fontes principais nitrato e tiossulfato de prata. Outras substâncias, como o 2,5-norbornadieno (NBD), o diazociclopentadieno (DACP) e o 1-metilciclopropeno (1-MCP), também apresentam esse efeito inibitório. Esses compostos exercem seu efeito por meio da ligação com os receptores, bloqueando-os e impedindo a ligação do etileno. A prata, por sua vez, altera a capacidade dos receptores em transduzir o sinal para os componentes seguintes da cadeia de sinalização (ver “Mecanismo de ação do etileno”, mais adiante).

Como agente de processos fisiológicos importantes do desenvolvimento vegetal, o etileno exerce vários efeitos comercialmente interessantes na agricultura. Entretanto, como se trata de um hormônio gasoso, sua aplicação sob condições de campo é difícil de realizar, sendo utilizado no seu lugar o ácido 2-cloroetilfosfônico (CEPA), também conhecido como Ethephon ou Ethrel. Essa substância, descoberta em 1960, é inerte sob pH inferior a 4,0; todavia, quando misturada em água e absorvida pela planta, libera etileno

em pH fisiológico (Figura 13.4).

A solução aquosa de Ethrel é facilmente pulverizada nas plantas, sendo absorvida e transportada para os tecidos vegetais, representando um mecanismo eficiente de aplicação de etileno. Pode ser usada para estimular o amadurecimento de frutos de tomate e maçã, bem como na sincronização da floração em Bromeliaceae, destacando-se o abacaxizeiro (Ananas

comosus; ver Capítulo 18).

 

Transporte

Ao contrário dos demais hormônios vegetais, o transporte do etileno independe de tecidos vasculares e de outras células. Como um gás, difunde-se facilmente no interior dos tecidos, pelos espaços intercelulares, podendo ser perdido para o ambiente. A água e os solutos do citoplasma dificultam o movimento do etileno, cujo coeficiente de difusão nesses meios é cerca de 10 mil vezes inferior ao do ar. Por sua afinidade com lipídios (14 vezes mais solúvel do que na água), o etileno é capaz de se difundir com relativa facilidade pela casca de alguns frutos, como a maçã (presença de ceras).

 

Mecanismo de ação

Os hormônios apresentam, frequentemente, um efeito pleiotrópico, ou seja, diferentes tipos de células-alvo respondem ao mesmo conjunto de sinais por meio de mecanismos similares de percepção e transdução, porém seus programas moleculares são distintos.

 

Figura 13.4 Reação de liberação do etileno a partir do Ethrel.

 

Independentemente da diversidade de efeitos do etileno no desenvolvimento vegetal, seu mecanismo de ação envolve, em um primeiro momento, a ligação a um receptor específico, seguido da ativação de uma ou mais vias de transdução de sinais, desencadeando então a resposta celular.

Um fenótipo altamente reprodutível encontrado em plântulas estioladas expostas ao etileno, denominado resposta tríplice, tem sido a base de muitos dos avanços no entendimento da percepção e da transdução de sinal do etileno. Tal fenótipo compreende o intumescimento radial do hipocótilo, seu encurtamento e a exagerada curvatura do gancho apical. A resposta tríplice tem sido usada na detecção de mutantes de plantas que apresentam respostas anormais quando expostas ao etileno. Esses mutantes têm sido divididos em dois tipos: mutantes insensíveis ao etileno e mutantes que apresentam a resposta tríplice, mesmo na ausência do hormônio (resposta tríplice constitutiva). Muitos biologistas têm utilizado bibliotecas de mutantes da planta-modelo Arabidopsis thaliana, em grandes projetos de rastreamento para identificar alterações que possam levar à identificação dos elementos que compõem as vias de percepção e transdução de sinal do etileno.

Até o momento, pode-se dizer que, entre os hormônios vegetais, o etileno é aquele com a via de sinalização mais bem descrita, pois, além dos receptores, vários outros componentes já foram identificados.

 

Receptores de etileno

Em geral, um hormônio, para ser assim classificado, deve necessariamente interagir com uma molécula que funcionará como receptora do sinal que ele medeia. A localização e a estrutura dos receptores hormonais nos organismos podem ser as mais diversas. Os receptores de etileno constituem as moléculas de percepção hormonal em plantas cujo entendimento mais avançou na última década. Sua estrutura guarda similaridade com os receptores de dois componentes e atividade de histidina cinase encontrados em bactérias, tendo sido observada também no receptor de citocininas (ver

Capítulo 10).

Trata-se de um homodímero, isto é, uma proteína formada por duas subunidades idênticas, cujas frações monoméricas estão interligadas por

pontes dissulfeto que coordenam a associação de um íon de cobre (Figura

13.5). Esse íon parece ser essencial tanto para a ligação do etileno quanto para a transdução do seu sinal. Trata-se possivelmente do mecanismo pelo qual o íon prata (Ag+), sabidamente conhecido por inibir as respostas ao etileno, deve exercer sua ação. O íon prata é capaz de coordenar a ligação do etileno, porém não consegue induzir as alterações na conformação do receptor do mesmo modo que o íon cobre e, desse modo, é incapaz de transmitir o sinal no momento da ligação do etileno. Plântulas tratadas com Ag+ mimetizam o fenótipo encontrado em plântulas de mutantes insensíveis ao etileno, ou seja, não apresentam a resposta tríplice, mesmo na presença do hormônio. Uma importante indicação do papel fundamental do íon cobre na ligação do etileno foi obtida pela análise do mutante de A. thaliana denominado ran1, que tem um transportador de cobre não funcional e apresenta grave insensibilidade ao etileno.

 

Figura 13.5 Receptores de etileno. Em Arabidopsis thaliana, foram identificadas cinco proteínas que atuam como receptores de etileno. Os receptores ETR1 e ERS1 (subfamília I) apresentam três domínios transmembrana, têm atividade de His cinase e formam homodímeros. Conforme estudo de fracionamento celular, observou-se que o receptor ETR1 está localizado na membrana do retículo endoplasmático. Os receptores ETR2, EIN4 e ERS2 (subfamília II) apresentam quatro domínios transmembrana e não dispõem de aminoácidos essenciais para a atividade de His cinase. Aparentemente, não formam dímeros. Todos os receptores têm ao menos um átomo de cobre ligado a um dos domínios transmembrana, um metal necessário para a ligação com o etileno. Adaptada de Wang et al. (2002).

 

Os receptores de etileno são classificados em duas grandes famílias. Os receptores da família I (ETR1 e ERS1) apresentam as características de histidinas cinases em suas estruturas, ou seja, proteínas capazes de transferir grupos fosfato do ATP para resíduos de histidina em outras proteínas e, assim, promover a ativação ou desativação destas últimas. Esse processo de ativação ou desativação por fosforilação compreende uma característica particular de cada proteína. Os receptores da família II (ETR2, ERS2, EIN4) não apresentam atividade de histidina cinase.

As sequências primárias de aminoácidos dos vários receptores de etileno apontam para a ocorrência de ao menos três domínios transmembrana nas suas estruturas, indicando que estes devem estar ancorados em membranas celulares. Ao menos um, o receptor ETR1, foi efetivamente localizado na membrana do retículo endoplasmático em células de folhas de A. thaliana. Embora essa localização não seja tão usual para um receptor, para o etileno não constitui nenhum obstáculo, dada a alta difusibilidade do hormônio tanto em meio aquoso quanto lipídico, o que permite seu acesso ao sítio de ligação em qualquer compartimento celular.

Até o final da década de 1990, muitos estudos indicavam que a ocorrência de diferentes receptores em uma mesma célula teria unicamente uma função compensatória, sendo redundantes em sua ação, como no caso dos mutantes de A. thaliana exemplificados anteriormente. A modulação da resposta ao etileno seria, desse modo, obtida pela célula vegetal em virtude da quantidade de receptores que esta expressa.

No entanto, isso parecia insuficiente para explicar por que as plantas ou os órgãos vegetais, em certas situações, aumentam a expressão de um tipo específico de receptor, diminuindo a expressão de outros e, com isso, apresentam maior sensibilidade ao etileno. Um exemplo dessa situação refere-se ao amadurecimento dos frutos da bananeira. Pouco antes da coleta, o fruto expressa vários tipos de receptores de etileno de ambas as famílias. Nessa fase, a banana é pouco sensível ao etileno, sendo incapaz de amadurecer, mesmo com a aplicação do hormônio. Após a coleta e o início do amadurecimento, o fruto se torna muito sensível ao hormônio, e a aplicação de pequenas quantidades de etileno é suficiente para acelerar o amadurecimento. Esse fato é acompanhado de um aumento na expressão do receptor ETR1 e de um decréscimo na expressão de receptores da família II, porém sem mudança aparente no nível global dos receptores.

Para buscar uma possível explicação para observações desse tipo, a capacidade em “reter” o hormônio foi correlacionada com os níveis de expressão gênica de cinco receptores identificados em tomate, a fim de verificar se haveria alguma diferença de afinidade entre cada receptor e o hormônio. Em caso positivo, a diferença de sensibilidade do órgão ou tecido poderia ser atribuída aos níveis de um ou outro tipo de receptor.

Os resultados não indicaram diferenças significativas quanto à capacidade de retenção do etileno, porém alguns tipos de receptores apresentaram variações significativas dos níveis de transcrição durante o amadurecimento do fruto. Estudando mutantes defectivos em um dos receptores, foi possível observar o aumento no nível de transcrição dos receptores remanescentes, corroborando a existência do mecanismo de compensação para a falta de um receptor. Nesse mesmo estudo, plantas mutantes de A. thaliana também foram analisadas e obtiveram-se resultados semelhantes. Porém, alguns desses mutantes apresentavam defeitos de desenvolvimento, como uma expressiva diminuição do tamanho das lâminas foliares. Visto que as plantas mutantes tinham a mesma capacidade de “ligar” o etileno, por que elas não respondiam da mesma forma ao hormônio? A conclusão, nesse caso, indicava que a diminuição de um tipo específico de receptor poderia induzir diferenças específicas na resposta ao hormônio.

Portanto, outra explicação residiria na capacidade de cada receptor em transmitir o sinal para o interior da célula, após a ligação com o hormônio. Assim, os estudos foram direcionados para os elementos subsequentes na cascata de transdução de sinal do etileno, principalmente a proteína CTR1. Estudos demonstraram que cada receptor apresenta diferentes graus de afinidade pela proteína CTR1 e, com isso, transmite o sinal enviado pelo etileno de modo diferenciado. Isso significa que as diferenças de sensibilidade dos diferentes órgãos e células ao etileno, em diferentes momentos do desenvolvimento vegetal, podem ser atribuídas à expressão de diferentes conjuntos de receptores de etileno.

 

Proteína CTR1

O gene ctr1 codifica para uma proteína similar a membros da família das Raf serina/treonina cinases, mais especificamente uma MAPKKK (do inglês, mitogen-activated protein kinase kinase kinase). O nome ctr1 deriva de um mutante de A. thaliana que apresentava a resposta tríplice independentemente da presença de etileno (ctr1 – constitutive triple response 1). Esse comportamento indicou que a proteína (CTR1), codificada pela forma dominante desse gene (CTR1), provavelmente seria um regulador negativo da resposta ao etileno.

De maneira geral, em um modelo de resposta positiva (Figura 13.6), a via de sinalização encontra-se desativada na ausência do hormônio. No momento em que ocorre a ligação do hormônio com o receptor, são provocadas alterações neste último, ativando-o e promovendo sua atuação sobre os elementos que se encontram em sequência na cascata de sinalização hormonal, levando à manifestação das respostas intracelulares.

Contudo, em um modelo de regulação negativa, na ausência do hormônio, a proteína ou o complexo proteico que forma o receptor está ativamente inibindo os elementos em sequência na cascata de sinalização. Consequentemente, nenhuma resposta associada ao hormônio é observada. A ligação do hormônio ao receptor desativa este último, liberando os elementos da cadeia de sinalização, que, por seu turno, induzem o

aparecimento das respostas celulares (Figura 13.6).

Nesse modelo, o mecanismo de ação envolveria a capacidade de a CTR1 interagir com o domínio de histidina cinase dos receptores de etileno. O modelo mais aceito supõe que a proteína CTR1 deve interagir com os receptores para que sua atividade de cinase seja efetiva e, dessa forma,

fosforile substratos na sequência da cadeia de transdução de sinal (Figura

13.7). Uma vez que o etileno se liga aos receptores, mudanças conformacionais promoveriam o desligamento da proteína CTR1, provocando a inibição de sua atividade e, assim, liberando a via de transdução e permitindo as respostas ao etileno.

As observações que possibilitaram a proposição desse modelo vieram principalmente de estudos que visaram a isolar o receptor ETR1 e, inesperadamente, isolaram também a proteína CTR1 ligada a este, indicando a interação entre as duas proteínas. Adicionalmente, observou-se que uma região da proteína CTR1, envolvida na ligação com o receptor, é capaz de interagir com o domínio de serina/treonina cinase da própria CTR1. Esse parece ser o mecanismo pelo qual a proteína CTR1 é inibida,

após estar desligada do receptor, por causa da presença do etileno (Figura

13.7).

Figura 13.6 Regulação positiva e negativa na resposta hormonal. No modelo mais comumente encontrado – a regulação positiva –, o receptor hormonal está inativo, assim como os elementos da cascata de sinalização, não havendo resposta intracelular. Com a ligação do hormônio no receptor, são desencadeadas mudanças neste último, tornando-o ativo. O receptor passa a ativar os elementos da cascata e são observadas as respostas intracelulares. No modelo de regulação negativa, o receptor encontra-se ativo na ausência do hormônio e sua atividade inibe os componentes da cascata de sinalização. A ligação do hormônio inativa o receptor, liberando a cascata de sinalização e, desse modo, são promovidas as respostas celulares.

 

A análise mais detalhada da estrutura da proteína nos mutantes ctr1 de A. thaliana indicou que esta é incapaz de interagir com o receptor e, por isso, esses mutantes apresentam um fenótipo de respostas ao etileno, mesmo na sua ausência. Por sua vez, certas mutações nos receptores mostram um fenótipo de insensibilidade ao hormônio, uma vez que o

etileno não consegue se ligar ao receptor e desligar a proteína CTR1 (Figura

13.7).

 

Demais componentes na via de sinalização Embora vários genes e as proteínas por eles codificadas tenham sido identificadas como componentes na cadeia de sinalização do etileno, ainda não se sabe como ocorrem as interações entre esses diversos elementos. O que se conhece é a sequência em que essas proteínas atuam para promover a sinalização e induzir as respostas ao etileno.

A similaridade entre a proteína CTR1 e as MAP cinases de mamíferos indicou o possível envolvimento de uma cascata dessas proteínas na sinalização do etileno. Em mamíferos, essas proteínas atuam realizando fosforilações sucessivas, uma MAPKKK fosforilando e ativando uma MAPKK. Esta, por sua vez, fosforila uma MAPK; esta cinase, assim ativada, fosforila uma proteína pela qual tem especificidade. A natureza desta última proteína é variável, pois depende da via de sinalização na qual as MAP cinases estão envolvidas. Existem dezenas de diferentes MAP cinases e estas estão ligadas às mais diversas formas de sinalização intracelular em mamíferos.

Em A. thaliana e Medicago truncatula, foram identificados membros das MAP cinases atuando, subsequentemente à CTR1, na via de sinalização

do etileno (Figura 13.8). As proteínas SIMKK (stress induced MAP kinase kinase), MAPK6 (ambas em A. thaliana) e MAPK13 (em M. truncatula) foram identificadas por meio de ensaios de atividade de proteínas cinases ou por inibição de sua expressão gênica.

Outro elemento da via de sinalização de etileno é codificado pelo gene ein2 (ethylene insensitive 2) e é considerado central na sinalização do hormônio, visto que mutantes para esse gene apresentam fenótipos graves de insensibilidade, com consequências que afetam a planta durante todo o seu ciclo de vida. As evidências sugerem que o gene ein2 codifica para uma proteína que atua como um regulador positivo essencial para a sinalização do etileno.

 

Figura 13.7 Modelo de interação entre a proteína CTR1 e o receptor ETR1. Na ausência do hormônio (A), o receptor encontra-se ligado à proteína CTR1. Esta, por meio de sua atividade de cinase, exerce inibição sobre outros elementos na cadeia de transdução de sinal do etileno, não havendo resposta ao hormônio. A ligação do etileno com o receptor ETR1 (B) provoca modificações na sua estrutura que levam ao desacoplamento da proteína CTR1. Porções do domínio N-terminal da CTR1 conseguem interagir com o seu próprio domínio cinase e podem contribuir para a redução dessa atividade na proteína. Além disso, sem interagir com o receptor, a atividade de cinase de CTR1 é muito reduzida. Com isso, a repressão aos elementos da cascata de transdução de sinal do etileno é removida e as respostas ao hormônio ocorrem. Mutações na proteína CTR1 (C) que impeçam sua interação com o receptor levam a um fenótipo de resposta constitutiva, mesmo na ausência de etileno. Por sua vez, mutações no receptor (D) que impeçam a ligação do etileno levam a um fenótipo de insensibilidade e à ausência de respostas, mesmo na presença do hormônio. Adaptada de Chen et al. (2005).

Figura 13.8 Modelo da via de transdução de sinal do etileno. Na ausência de etileno (à esquerda), os receptores interagem com uma proteína do tipo Raf-cinase denominada CTR1. Essa interação ativa a proteína CTR1, fazendo com que esta regule negativamente (por fosforilação) componentes situados abaixo, na cascata de transdução de sinal. Entre os possíveis alvos, já foram identificadas, em Arabidopsis thaliana, proteínas da família das MAP cinases. Desse modo, não há respostas relacionadas com o etileno. A ligação do hormônio ao receptor (à direita) induz mudanças conformacionais neste último, desativando a proteína CTR1. Dessa forma, a cascata de MAP cinases fica livre da inibição, permitindo que o elemento regulador EIN2 sinalize positivamente para os fatores de transcrição da família EIN3. Estes, por sua vez, ativam a transcrição dos fatores ERF que promovem a transcrição de genes-alvo, geralmente ativados pelo etileno (p. ex., genes das beta-1,3 glucanases) e que mediarão as respostas fisiológicas características promovidas pelo hormônio. Adaptada de Wang et al. (2002).

 

O elemento EIN2 foi identificado como uma proteína de membrana cujo domínio N-terminal hidrofóbico se assemelha aos membros da família NRAMP de proteínas integrais de membranas, a qual inclui vários transportadores de metais.

O elemento identificado como subsequente à proteína EIN2 na cadeia de sinalização do etileno é a proteína EIN3. Vários mutantes defectivos para essa proteína apresentam expressão reduzida de genes tipicamente etileno-dependentes. Outras proteínas similares foram identificadas em várias espécies vegetais, sendo denominadas EIL (EIN3-like). Dois membros dessa família, EIL1 e EIL2, são capazes de resgatar o fenótipo normal de resposta ao etileno em mutantes que têm o gene ein3 defeituoso. Já a superexpressão desses dois genes leva ao fenótipo de resposta constitutiva ao hormônio, indicando que esses elementos são reguladores positivos da resposta ao etileno.

As proteínas dessa família desempenham funções de fatores de transcrição, ligando-se a elementos reguladores da expressão presentes nos promotores de genes responsivos ao etileno e promovendo a transcrição do

RNA mensageiro desses genes (ver Figura 13.8). Particularmente, genes denominados fatores de resposta ao etileno (ERF – ethylene response factors) são os alvos das proteínas EIN3 e EIL.

No último nível da sinalização do etileno, encontram-se os fatores de transcrição ERF e EDF (ethylene response DNA binding factors). Trata-se de proteínas de baixo peso molecular com especificidade quanto à ligação em promotores de genes regulados por etileno. As regiões do DNA às quais as proteínas ERF e EDF se ligam foram denominadas GCC-box, em razão das repetições de guanina e citosina encontradas nessas sequências. A expressão de um membro dessa família, ERF1, encontrado em A. thaliana, parece regular a transcrição de vários genes, visto que sua superexpressão é capaz de produzir, de modo significativo, um fenótipo de resposta constitutiva ao etileno.

Uma grande variedade de genes apresentou motivos GCC-box em seus promotores, porém muitos desses genes não são exclusivamente regulados por etileno, apresentando vários outros motivos regulatórios ligados, por exemplo, a respostas a estresses abióticos (frio, seca, salino), lesões mecânicas ou danos por patógenos. Como exemplos de genes regulados por etileno, foram identificados aqueles que codificam para isoformas de quitinases, fitoeno sintase, beta1,3-glucanases, algumas proteínas relacionadas com patógenos (PRP), algumas isoformas de expansinas e as enzimas de biossíntese do próprio etileno, ACC sintase e ACC oxidase, entre outros.

 

Interação com outros hormônios

Vários sinais contribuem para coordenar os processos necessários ao desenvolvimento e à manutenção da homeostase nos diversos tecidos vegetais. A relação entre níveis de dois ou mais hormônios durante as diversas fases do ciclo de vida das plantas é conhecida há muito tempo. Porém, somente os avanços técnicos registrados nas últimas décadas permitiram obter uma visão mais detalhada sobre os mecanismos moleculares envolvidos nessas interações.

De modo geral, um hormônio pode afetar as respostas de outro hormônio de três modos: interferindo nos níveis do outro hormônio por meio de alterações de sua biossíntese, degradação, transporte ou conjugação; modificando sua resposta aos estímulos ambientais ou do desenvolvimento; alterando os níveis e/ou atividade de elementos de sua via de transdução de sinal.

As interações entre o etileno com outras classes hormonais não indicam um modo preferencial para um dos três níveis descritos. A interação mais notadamente descrita na literatura ocorre com auxinas e jasmonatos, porém há vários relatos de interações do etileno com outras classes hormonais.

 

Auxinas

O efeito indutor na síntese de etileno promovido por auxinas é conhecido há muitos anos, assim como o efeito do etileno sobre o transporte de auxinas

(ver Capítulo 9).

No primeiro caso, vários estudos demonstraram que as auxinas são capazes de aumentar a expressão do gene de uma ou mais isoformas da ACC sintase. Em A. thaliana, a isoforma ACS4 está diretamente relacionada com a indução por auxina. O papel desempenhado pelo aumento de etileno dependente de auxina ainda não é claro, porém estudos sugerem uma ligação entre o alongamento caulinar e esses dois hormônios. A chave para a hipótese provém de vários mutantes com respostas alteradas tanto para um quanto para outro hormônio.

Embora alguns estudos tenham demonstrado que o intumescimento radial do hipocótilo em plântulas de A. thaliana e nos entrenós de tulipas seja mediado por níveis elevados de etileno, um mutante denominado hipocótilo longo relacionado a ACC-1 (ACC-related long hypocotyl 1 – alh1) apresentou aumento no comprimento do hipocótilo quando crescido sob luz, em meio sem etileno. A análise mais detalhada da natureza dessa mutação identificou que essas plantas produzem altas quantidades de etileno, o que estaria ligado ao fenótipo de hipocótilo alongado. Coincidentemente, observou-se que essas plantas também apresentavam defeitos no transporte de auxina no hipocótilo e, dessa forma, o fenótipo encontrado nas plantas mutantes seria derivado tanto dos efeitos da superprodução de etileno quanto das consequências desta sobre o transporte de auxinas.

Outros mutantes de A. thaliana defectivos no transporte de auxina, como aux1 e eir1, cujas mutações ocorrem em genes que codificam para proteínas envolvidas no influxo e no efluxo desse hormônio, também apresentam insensibilidade ao etileno. Todavia, no mutante com alta taxa de resposta ao etileno, eer1 (ethylene enhanced response 1), foi observada maior taxa de transporte basipetal de auxina. Tais resultados são evidências claras da existência de uma inter-relação entre a sinalização do etileno e auxina no controle de processos celulares ligados ao desenvolvimento vegetal.

Outras evidências que vêm se tornando mais consistentes nos últimos anos dizem respeito ao amadurecimento de frutos, processo no qual o etileno sempre foi tido como o principal hormônio regulador. Embora o efeito inibidor das auxinas sobre o amadurecimento de frutos seja conhecido há décadas, não existiam evidências moleculares referentes a esse processo. Com a descoberta dos fatores de transcrição relacionados com auxinas (ARF – auxin response factors), observou-se que vários deles têm a expressão aumentada em tomates e outros frutos tratados com etileno.

Estudos clássicos conduzidos por Nitsch na década de 1950 demonstraram que, para o amadurecimento do receptáculo no morango, é necessário que haja a diminuição da produção de auxina pelo aquênio. Até recentemente, acreditava-se que esse evento fosse o principal coordenador do amadurecimento nesse fruto; porém, ao tratar morangos com o 1-metilciclopropeno, um potente antagonista do etileno, observou-se que eles não perdiam firmeza durante o amadurecimento e também não desenvolviam o aroma típico do fruto maduro, indicando que, além da auxina, o etileno exerce também um papel no amadurecimento do morango. Frutos como este, denominados pela fisiologia pós-coleta como não climatéricos, eram tidos, até pouco tempo, como independentes de etileno para amadurecer. Além do morango, outros frutos demonstraram ter processos dependentes de etileno para o amadurecimento normal, como uvas, frutas cítricas e cerejas.

Outro processo que sugere a inter-relação entre os níveis de etileno e auxinas, no caso o ácido indol-3-acético (AIA), implica o processo de abscisão de folhas (descrito em maiores detalhes no tópico “Abscisão”).

 

Citocininas

Um aumento de 2 a 4 vezes na produção de etileno tem sido registrado em plantas tratadas com citocininas, conforme observado em segmentos de folhas de milho, alface, arroz e trigo, de hipocótilo de soja e em raízes isoladas de milho após 6 a 9 h da aplicação hormonal. Em alguns casos, a produção desse gás chegou a aumentar até 50 vezes, como em folhas de algodoeiro.

A aplicação de citocininas e de auxinas resulta em uma produção de etileno muito maior que quando esses hormônios são aplicados isoladamente. Esse efeito sinérgico, associado a uma maior atividade da ACC sintase e, consequentemente, à produção de ACC, foi observado em sementes de pepino, segmentos de folhas de trigo e dália e em plântulas estioladas de ervilha.

Dois mutantes de A. thaliana, denominados insensível à citocinina 5 (cytokinin insensitive 5 – cin5) e superprodutor de etileno 2 (ethylene overproducer 2 – eto2), foram identificados como alelos para a isoforma 5 da ACC sintase (ACS5). A mutação encontrada em eto2 foi identificada como a perda da maior parte da porção carboxiterminal da ACS5, resultando em aumento da meia-vida dessa proteína. Essa mutação leva à produção de altos níveis de ACC e, consequentemente, de etileno. Interessante notar que o tratamento com citocininas também consegue promover maior estabilidade da proteína ACS5, o que sugere que mecanismos pós-tradução podem ser os responsáveis pelo aumento de etileno mediado por citocininas (ver modelo anteriormente descrito em “Biossíntese e inativação”).

 

Giberelinas

As interações entre o etileno e as giberelinas têm implicado tais hormônios na regulação dos processos de alongamento celular e também na indução floral. O principal ponto de conexão entre esses dois hormônios refere-se à estabilidade das proteínas DELLA. Tais elementos são repressores nucleares das respostas às giberelinas relacionadas com o alongamento celular. O nome DELLA deriva da sigla dos cinco primeiros aminoácidos de um total de 17 da porção N-terminal da proteína, caracterizando um domínio muito conservado desse tipo de proteína repressora.

Embora não esteja totalmente claro o mecanismo pelo qual essas proteínas atuam, demonstrou-se que as giberelinas, quando em altas quantidades no tecido vegetal, influenciam a degradação das proteínas DELLA por meio do sistema ubiquitina/proteossomo 26S. As giberelinas, pela ativação de um mecanismo de fosforilação das proteínas DELLA, tornam-nas alvos suscetíveis à interação com proteínas específicas e à subsequente ubiquitinação/degradação.

Contudo, observou-se que plântulas de A. thaliana tratadas com etileno atenuam os efeitos das giberelinas, promovendo a maior estabilidade nas proteínas DELLA, que, por sua vez, inibem processos nos quais o alongamento celular é necessário, como a formação do gancho apical.

Em relação à indução floral, estudos demonstraram que o etileno é capaz de atrasar o tempo de floração por meio de um mecanismo que também envolve a manutenção dos níveis das proteínas DELLA. O tratamento de plantas de A. thaliana com etileno promoveu a diminuição dos níveis de giberelinas, diminuindo a taxa de degradação dessas proteínas. Além disso, nesse sistema foi observado o maior acúmulo de proteínas DELLA por um mecanismo dependente do fator de transcrição EIN3, sugerindo um papel mais direto do etileno na expressão dessas proteínas. As proteínas DELLA induzidas por etileno são, assim, tidas como responsáveis pela repressão de genes ligados ao desenvolvimento floral, como o leafy (LFY) e o suppressor of overexpression of constans 1 (SOC1).

Outra evidência desse mecanismo foi obtida por meio do mutante ctr1 de A. thaliana, que apresenta fenótipo de resposta constitutiva ao etileno. Esse mutante apresenta tempo de floração tardio, mesmo quando exposto a fotoperíodos de dias longos. O tratamento com ácido giberélico foi capaz de abolir o efeito da mutação no gene CTR1, promovendo a floração no mutante no mesmo tempo que plantas normais.

 

Ácido abscísico

Entre os efeitos relatados sobre a interação com o ácido abscísico (ABA), o mais conhecido é o efeito promotor na síntese do etileno após a aplicação de ABA, observado principalmente em frutos, incluindo manga, abacate, maçãs e peras. Também se verificou que frutos sintetizam ABA nos estágios mais avançados do amadurecimento.

A indução na síntese de etileno promovida por ABA ocorre principalmente por meio do estímulo na expressão de isoformas da ACC oxidase. Recentemente, descreveu-se que em maçãs o tratamento com ABA foi capaz de promover aumento na transcrição do gene de uma isoforma da ACC sintase.

Embora o ABA venha sendo considerado um hormônio ligado ao amadurecimento dos frutos, seu exato papel nesse processo e as respostas específicas mediadas pelo hormônio ainda não foram totalmente esclarecidos. No entanto, algumas dessas respostas começaram a ser identificadas. Em experimentos realizados com laranjeiras mutantes da cultivar Navilate, deficientes para a produção de ABA e que não desenvolvem coloração característica no fruto maduro, o fenótipo selvagem foi restaurado quando do fruto tratado com ABA. Curiosamente, o fruto selvagem, quando tratado com inibidores de ação do etileno, desenvolveu o mesmo fenótipo do fruto mutante. Os resultados sugerem uma possível correlação entre os níveis dos dois hormônios para o desenvolvimento da cor nessa variedade de laranjas.

Observações adicionais no mutante ein2 de A. thaliana indicam que etileno e ABA devem compartilhar componentes em suas vias de sinalização. Nesse mutante, em ensaios de germinação, foi observada, além da insensibilidade ao etileno que o caracteriza, uma hipersensibilidade ao ABA. Por sua vez, em ensaios para alongamento de raízes, esse mutante demonstrou alta resistência ao ABA.

 

Etileno

Dependendo do tecido vegetal, a aplicação de etileno pode induzir a autocatálise ou a autoinibição desse hormônio. Durante o amadurecimento de frutos, a aplicação de etileno induz sua autocatálise (retroalimentação ou feedback positivo, processo pelo qual a presença do produto realimenta sua síntese), promovendo a conversão de ACC a etileno. Contudo, no processo de autoinibição, há um bloqueio na síntese de ACC por meio de uma

diminuição na atividade da ACC sintase (ver Capítulo 19).

 

Jasmonatos Tanto o etileno quanto os jasmonatos, principalmente o ácido jasmônico e o

metiljasmonato (ver Capítulo 14), são hormônios que desempenham importantes papéis na modulação das respostas de defesa das plantas ao ataque de patógenos. Já foram descritas várias interações positivas e negativas entre ambos, e vários mutantes insensíveis tanto a um quanto a outro hormônio têm maior suscetibilidade ao ataque de patógenos.

Um dos exemplos mais claros dessa interação e, possivelmente, da interação do etileno com outro hormônio diz respeito à regulação do gene PDF1-2. O produto codificado por esse gene pertence à família das defensinas, pequenas proteínas com a capacidade de se ligar à parede celular de fungos e bactérias promovendo a abertura de poros e ocasionando a morte do microrganismo. Tais proteínas são encontradas também em mamíferos e insetos.

O gene PDF1-2 é induzido tanto por etileno quanto por jasmonatos. Porém, mutantes insensíveis ao etileno, quando tratados com metiljasmonato, não apresentam indução da transcrição desse gene. Da mesma forma, mutantes insensíveis a jasmonatos, quando tratados com etileno, não apresentam acúmulo do RNAm de PDF1-2, indicando que é necessário que as vias de sinalização de ambos os hormônios estejam em funcionamento para que haja aumento na transcrição desse gene.

Estudos posteriores identificaram o fator de transcrição ERF1 como o ponto comum de regulação de ambos os hormônios sobre o gene. A superexpressão de ERF1 induziu a expressão constitutiva do gene PDF1-2, mesmo em plantas insensíveis a etileno ou jasmonatos. Esses resultados sugerem que o fator ERF1 pode ser o componente de sinalização necessário para a integração das respostas de defesa mediadas pelo etileno em conjunto com os jasmonatos. O apoio a essa hipótese vem da recente observação em folhas de A. thaliana sobre o gene de uma quitinase básica, enzima tipicamente ligada a processos de defesa nas plantas, cuja expressão também depende do fator ERF1 e é induzido conjuntamente por etileno e jasmonatos.

 

Fatores bióticos e abióticos

Temperatura

A temperatura ótima para a produção de etileno é de cerca de 30°C, havendo uma diminuição na sua síntese sob temperaturas mais elevadas, até um valor máximo próximo a 40°C. Assim, em maçãs, ocorre um aumento linear na produção de etileno entre 25 e 30°C, declinando linearmente entre 30 e 40°C. Sob temperaturas elevadas, a ACC oxidase é inativada, possivelmente por sua localização nas membranas ou no apoplasto. Entretanto, a atividade da ACC sintase não é prejudicada por temperaturas elevadas, acumulando-se ACC.

Temperaturas extremas, tanto baixas (geadas) quanto elevadas (40°C), podem promover estresse, levando à síntese de etileno. Plantas tropicais e subtropicais são mais sensíveis à geada, enquanto as de clima temperado se mostram mais tolerantes. Plantas menos tolerantes submetidas a baixas temperaturas, quando novamente colocadas sob temperaturas moderadas, passam a produzir etileno em resposta ao estresse, resultando, por exemplo, na abscisão prematura de frutos.

 

Luz

Os efeitos da luz na produção de etileno são dependentes da qualidade e quantidade luminosa e dos tecidos vegetais envolvidos, podendo haver promoção, inibição ou nenhuma resposta sobre a síntese desse hormônio. A luz inibe a produção de etileno em tecidos verdes, conforme observado em plantas intactas de soja submetidas ou não a estresses, em segmentos de tomate, soja e em girassol e folhas de trigo, arroz e tabaco. A manutenção da clorofila em folhas destacadas de arroz decorre principalmente da inibição da síntese de etileno provocada pela luz.

Em amendoim rasteiro, as gemas crescem horizontalmente quando há luz, e quase verticalmente quando no escuro, quando a produção de etileno é cerca de três vezes mais elevada. Esses resultados sugerem o envolvimento do etileno, de alguma forma, na orientação do crescimento caulinar de plantas rasteiras.

Baixas intensidades luminosas podem estimular a síntese de etileno e induzir a abscisão foliar em plantas sensíveis à sombra, como em alguns cultivares de pimenta. Sob alta intensidade luminosa natural, observou-se um aumento de 2 a 100 vezes na produção de etileno durante o desenvolvimento de inflorescência das orquídeas Catasetum e Cycnoches, coincidindo com uma maior formação de flores femininas. Semelhantemente ao que já tinha sido verificado em Cucurbitaceae, o etileno pode atuar como um hormônio de feminilização também em algumas orquídeas. Ainda, a luz pode causar um aumento na produção de etileno em bromélias, estimulando a floração em Aechmea victoriana.

 

Oxigênio

O oxigênio é necessário para a produção de etileno nas plantas, uma vez que a conversão do ACC em etileno depende da atividade de uma oxidase: a ACC oxidase. Em frutos climatéricos, como maçãs, bananas e peras, assim como em flores de cravos e orquídeas, a produção de etileno pode ser inibida por baixas concentrações de O , razão pela qual baixos teores de O 22 são usados em câmaras de atmosfera controlada para armazenamento de

frutos por longos períodos (ver Capítulo 19).

 

CO 2

Os efeitos do CO 2 na síntese de etileno são dependentes do tecido vegetal. A ação antagônica do CO 2 em relação ao etileno possibilita o armazenamento de frutos climatéricos em câmaras com concentração elevada de gás carbônico. Quando frutos de pêssego e maçã são transferidos para um ambiente enriquecido de CO2 (40%), não se observa a produção de

etileno, sendo a taxa respiratória reduzida a cerca da metade (ver Capítulo

19). Entretanto, plantas de milho e folhas de aveia, tabaco e arroz expostas a concentrações elevadas de CO tiveram a produção de etileno aumentada, 2 resultante de uma maior atividade ou síntese da ACC oxidase.

 

Alagamento

O alagamento é um estresse provocado por água no solo acima de sua capacidade de campo. A água em excesso pode asfixiar as raízes das plantas terrícolas, em virtude de uma redução ou eliminação do oxigênio do solo, impedindo as trocas gasosas entre as raízes, a rizosfera e o ambiente aéreo.

Entre os cinco hormônios clássicos, o etileno tem sido associado às respostas das plantas sob condição de alagamento. Esse hormônio está presente em teores mais elevados nas plantas alagadas, provocando a redução do crescimento de folhas, caules e raízes, a epinastia (curvatura para baixo), a senescência e a abscisão foliar, o aumento da espessura da base caulinar, a formação de raízes adventícias e de aerênquima, bem como a hipertrofia de lenticelas de caules e raízes.

O precursor ACC é acumulado na raiz quando sob hipoxia e transportado pelo xilema para a parte aérea mais oxigenada, onde é oxidado a etileno, acarretando uma elevação na emanação desse gás. O teor de ACC no caule aumenta substancialmente em resposta ao alagamento após 24 h, e

a produção do etileno ocorre a partir de 48 h (Tabela 13.1).

Em plantas de arroz (Oryza sativa), dois genes codificadores da ACC sintase, um deles ativado na parte aérea (os-acs1) e o outro nas raízes (os-acs3), são induzidos por anaerobiose. Em folhas de tomate, o gene ptom13 codifica um polipeptídio componente da ACC oxidase, cuja atividade é aumentada após 6 a 12 h do início do alagamento.

Tabela 13.1 –1 Efeitos do alagamento sobre os teores de ACC (nmol g) na seiva do xilema e de etileno (n –1 –1 ℓ g h) em pecíolos de plantas de tomate (Lycopersicum esculentum). Plantas-controle (mantidas em solo drenado) e plantas alagadas durante 24, 48 e 72 h.

ACC (nmol g–1 –1 –1 ) Etileno (n ℓ g h)

 

Tempo (horas) Controle Alagadas Controle Alagadas

 

0 0,0 0,0 0,15 0,13

 

24 0,0 1,05 0,15 0,16

 

48 0,0 2,95 0,07 0,58

 

72 0,0 1,55 0,07 1,05

 

Adaptada de Bradford e Yang (1980).

 

Seca

Algumas espécies vegetais, tecidos de folhas ou frutos, quando destacados e submetidos à seca, apresentam teores mais elevados de etileno que aqueles de plantas intactas submetidas à seca sob condição natural. As alterações fisiológicas, bioquímicas e moleculares observadas nesses casos parecem estar associadas ao aumento e à redistribuição do ácido abscísico, principal

hormônio envolvido com esse tipo de estresse (ver Capítulo 12).

 

Substâncias químicas

A produção de etileno pode ser estimulada por vários metais fitotóxicos, como cádmio, cobre, ferro, lítio, prata e zinco; compostos inorgânicos, como amônia, bissulfito, ozônio e salicilato; e orgânicos, como ácido ascórbico; herbicidas, como endotal, paraplat e glifosato; desfolhantes, como o thidiazuron e cianeto de potássio; e pesticidas, como metolmil. Ferimentos mecânicos

A síntese de etileno pode ser promovida por estímulos mecânicos, como o destacamento e a fragmentação de órgãos, a incisão ou a pressão, sendo sua produção dependente da intensidade do ferimento. A elevação do teor de etileno foi registrada em batata-doce, nos frutos de maçã, abacate e tomates, em folhas de feijão, tomate, espinafre e milho e caule de Pharbitis nil. Enquanto em folhas machucadas de feijão a síntese de ACC ocorreu após 10 min, em frutos de moranga (Cucurbita maxima Duch.) esse efeito foi observado em um intervalo de 10 a 25 h, coincidentemente com uma maior

produção da ACC sintase e do etileno (Tabela 13.2).

 

Infecção por patógenos

A infecção por vírus, bactérias e fungos causa amarelecimento, epinastia e abscisão das folhas. Esses sintomas, típicos do etileno, podem ser observados em folhas de feijão, tabaco, pepino e de tomate infectadas por vírus, assim como em Vicia fava infectada pela bactéria noduladora Rhizobium leguminosarum. Uma grande variedade de fungos, entre os quais Diplodia natalensis, Penicillium expansum, Botrytis cinerea e Alternaria citri, também pode causar o aumento na produção de etileno em frutos de banana, manga e maçã.

Tabela 13.2 –1 –1 Efeitos de ferimento durante 25 h na produção da ACC sintase (nmol g h),

ACC (nmol g–1 –1 –1 ) e etileno (nmol g h) em discos de mesocarpo de Cucurbita máxima.

Tempo (h) Teores

 

(nmol g –1 –1 –1 –1 –1 h ) (nmol g ) (nmol g h)

 

ACC sintase ACC Etileno

 

0 0 0 0

 

5 125 61,95 2,82

10 260 141,59 6,12

 

15 110 707,96 7,53

 

20 20 902,65 8,94

 

25 10 920,35 22,59

 

Adaptada de Hyodo et al. (1989).

 

Principais funções nos vegetais

Divisão e expansão celular

A redução de crescimento provocada pelo etileno em plantas intactas está geralmente associada ao retardamento (ou mesmo inibição) da divisão celular, em virtude de uma maior duração das fases G1, G2 ou S.

Tratamentos com etileno promovem a reorganização dos microtúbulos e das microfibrilas de celulose da parede celular, de uma posição normalmente transversal para outra longitudinal, promovendo, em consequência, uma redução acentuada do alongamento longitudinal e um incremento na expansão lateral das células, fazendo com que o caule fique ao mesmo tempo mais curto e espesso. Esses efeitos são facilmente observados em ervilhas, assim como em plantas alagadas, como verificado

em árvores de Pelthophorum dubium (Figura 13.9).

 

Dormência

A habilidade de muitas plantas de se desenvolverem em estações do ano ou regiões adversas depende da capacidade que apresentam de restringir o desenvolvimento sob condições desfavoráveis e retomá-lo em condições apropriadas. Os mecanismos de reativação do crescimento e desenvolvimento ainda não são totalmente compreendidos, podendo haver alguma participação do etileno nesses processos.

O envolvimento do etileno na promoção da germinação foi observado, inicialmente, na década de 1920 em algumas espécies de mono e dicotiledôneas. Sementes dormentes de pêssego, por exemplo, apresentam uma produção reduzida de etileno no eixo embrionário, podendo ter sua germinação promovida por meio de tratamento com Ethrel. Em carrapichos, as sementes não dormentes produzem até quatro vezes o teor de etileno verificado nas sementes dormentes, cujos tecidos acumulam ACC e apresentam baixa atividade da ACC oxidase. Em sementes de alface e de Xanthium pennsylvanicum, a utilização de inibidores da síntese de etileno, como AVG e íons cobalto, reduz a taxa de germinação, efeito revertido, por sua vez, com a aplicação desse gás.

O efeito do etileno na promoção do desenvolvimento de brotos laterais em plantas lenhosas é conhecido desde a década de 1920, apesar de não se saber ainda, ao certo, como atuaria nesse processo. O desenvolvimento dos ramos laterais resultaria da remoção do efeito inibitório do meristema apical sobre as gemas laterais, cuja dormência é controlada por vários hormônios, podendo o etileno modular a atividade desses hormônios (ver Capítulos 9 e 10). A brotação de bromeliáceas, cormos de gladíolos e tubérculos de batatas pode ser estimulada, experimentalmente, por etileno, estando associada, pelo menos no último caso, ao aumento da taxa respiratória e à mobilização de carboidratos.

 

Crescimento e diferenciação da parte aérea Crescimento

A inibição da divisão e do alongamento celulares pelo etileno influencia, marcantemente, o crescimento das plantas vasculares, interpretado como consequência de alterações no transporte ou da ação de substâncias promotoras desses eventos celulares.

Em caules e raízes, a inibição do crescimento é rápida, porém reversível, tanto em plantas intactas quanto em segmentos isolados. Entretanto, em plantas aquáticas, o crescimento de caules, pecíolos e pedúnculos de frutos é estimulado pela elevação do teor de etileno, o qual resulta, simultaneamente, do aumento na síntese do ACC (precursor químico) e da redução na difusão deste e de outros gases, de acordo com o observado, por exemplo, em arroz. Pecíolos de várias plantas de hábito aquático, como Ranunculus sceleratus, Rumex palustris, Rumex crispus, Nymphoides peltata, Callitriche platycarpa e raquis de Regnillidium diphyllum (samambaia), podem também ter o crescimento favorecido por etileno. Esses efeitos estimulatórios podem ser resultantes da interação do etileno com outros hormônios, como um aumento na síntese de ácido giberélico (AG) ou uma diminuição no teor do ácido abscísico (ABA), alterando assim, favoravelmente, o balanço entre as substâncias promotora

e inibidora do crescimento (Figura 13.10).

Perturbações mecânicas no caule causadas pelo vento podem estimular a produção de etileno e alterar o crescimento e o desenvolvimento das plantas, modificando sua estatura e formato. Em hipocótilo de pepino, a produção de etileno foi duplicada após 4 h da perturbação mecânica, causando a curvatura da plântula em direção ao estímulo, processo observado em cerca de 50 espécies de 20 famílias diferentes.

Figura 13.9 Área média de células da base caulinar de plantas de Pelthophorum dubium. Controle – plantas drenadas; controle + etileno – plantas drenadas e tratadas com 240 mg ℓ –1 de Ethrel; alagado – plantas alagadas; alagado + etileno – plantas alagadas e tratadas com 240 mg –1 ℓ de Ethrel. Um aumento similar das áreas das células foi verificado tanto em plantas drenadas tratadas com Ethrel quanto naquelas submetidas ao alagamento. As maiores áreas celulares são observadas em plantas alagadas tratadas com Ethrel. Adaptada de Medri et al. (1998).

 

Figura 13.10 Crescimento caulinar de plantas de arroz cultivadas sob alagamento. Nessa condição, as plantas apresentam teores elevados de etileno, o que acarreta uma diminuição da concentração do ácido abscísico (ABA), um hormônio inibidor do crescimento e um aumento no teor de ácido giberélico (AG) – um hormônio promotor de crescimento –, o que promove o crescimento do caule.

 

Em plantas jovens de ervilha e estolões de morango, a presença de etileno promoveu uma curvatura de 90° na orientação do crescimento da porção aérea. O mutante diageotrópico de tomate (dgt), caracterizado pelo crescimento horizontal tanto dos caules quanto das raízes, bem como pela pouca sensibilidade à auxina, quando tratado com etileno, mostrou-se capaz de retornar, mesmo que parcialmente, ao crescimento vertical.

 

Senescência e morte celular programada (MCP) A senescência ou o envelhecimento nas plantas vasculares, diferentemente do que geralmente se supõe, não devem ser vistos como processos de deterioração, mas como parte integrante de um programa de desenvolvimento.

Nesse ponto, cabe conceituar os termos senescência e morte celular programada, frequentemente encontrados em textos que abordam a morte em vegetais e que não devem ser tratados como sinônimos. Embora haja certa controvérsia entre os pesquisadores quanto ao uso dos termos, a classificação proposta por Thomas et al. em 2003 vem ganhando maior aceitação. Para esses autores, a senescência é um conjunto de processos que leva à morte e que pode ser visualizado a olho nu. Dessa forma, o termo senescência só faz sentido quando aplicado a órgãos ou plantas inteiras. Já a morte celular programada (MCP), como o próprio nome diz, estaria restrita às células. Processos como o amarelecimento de folhas podem ser vistos como tipicamente relacionados com a senescência. Já a formação do aerênquima ou dos elementos de vaso são processos ligados à MCP.

Contudo, vários processos associados à senescência têm origem em eventos de morte celular, que, a partir de certa extensão, passam a apresentar sinais visíveis a olho nu, como o envelhecimento e a morte dos órgãos florais. Com isso, pode-se admitir que em certos casos há uma sobreposição entre a senescência e a MCP, mas, ainda assim, elas podem ser tomadas como distintas, se levada em consideração a conceituação de Thomas et al.

Cabe ainda diferenciar outro termo designado para um tipo de MCP encontrada em células animais: a apoptose. O processo apoptótico é definido com base em critérios citológicos derivados de eventos como condensação da cromatina, fragmentação do DNA, redução do volume citosólico e formação dos corpos apoptóticos (fragmentos nucleares misturados a material celular e circundados por fragmentos da membrana plasmática). Estes últimos, uma vez formados, são fagocitados pelas células vizinhas, outro evento característico da apoptose.

Entre esses processos, a condensação da cromatina, a fragmentação do DNA e a diminuição no volume citosólico já foram observadas em plantas, assim como outros associados à apoptose em células animais, como a ativação por peróxido de hidrogênio ou cálcio e o aumento na expressão de tipos específicos de cisteína proteases que atuam no processo de morte celular. Porém, dois eventos importantes como a fragmentação celular (com formação dos corpos apoptóticos) e a fagocitose nunca foram observados em vegetais. Portanto, dada a ausência desses eventos (pelo menos até o momento não detectados), classificam-se certos processos de MCP em plantas como tipo apoptóticos, e considera-se o termo apoptose, com a mesma acepção usada para células animais, inadequado para o uso em plantas.

A senescência pode ocorrer no organismo inteiro (Figura 13.11) ou somente em parte dele. No primeiro caso, encontram-se as plantas monocárpicas, que frutificam uma única vez para morrer logo em seguida, mesmo quando as condições ambientais se mantêm favoráveis ao desenvolvimento, como é o caso do milho, picão, alface, soja, tabaco etc. Nesse grupo, não se encontram apenas plantas herbáceas, mas muitas

espécies de agaves (Figura 13.12) e touceiras de bambu, as quais podem demorar até dezenas de anos para florescer e frutificar, porém, quando o

fazem, morrem rapidamente (Figura 13.11 A). Nos vegetais monocárpicos, portanto, parece existir uma forte relação entre a frutificação e o estabelecimento dos eventos da senescência. Acredita-se, há bastante tempo, que a exaustão dos nutrientes disponíveis seria uma das causas desencadeadoras da senescência e da morte dessas plantas. De fato, se os botões florais de uma planta monocárpica forem sucessivamente eliminados à medida que se formam (drenos), a senescência pode ser retardada por um bom período.

Em algumas plantas, apenas a parte aérea senesce, permanecendo intactas as raízes e uma pequena porção da base caulinar, da qual se formam novos brotos quando as condições ambientais se tornam favoráveis à

retomada do crescimento (ver Figura 13.11 B). A senescência pode ocorrer apenas nas folhas mais velhas, progredindo em direção às mais novas (ver

Figura 13.11 C). Nesse caso, a causa do amarelecimento inicial e da morte que se segue pode ser encontrada na translocação dos nutrientes dessas folhas para as regiões mais ativas do crescimento. A deficiência de nitrogênio é tida como uma das mais fortes causas dessa resposta (ver

Capítulo 2). A senescência foliar pode ser desencadeada também por fatores ambientais, como o encurtamento dos dias e a diminuição das temperaturas outonais, conforme facilmente observado em angiospermas arbóreas de região de clima temperado, nas quais a senescência atinge todas as folhas

simultaneamente, tornando-as amarelo-avermelhadas (ver Figura 13.11 D).

 

Figura 13.11 Tipos principais de senescência em plantas vasculares, com a morte da planta inteira (A); apenas a parte aérea (B); progressivamente das folhas mais velhas em direção às mais novas (C); simultaneamente em todas as folhas (D); e partes florais (E).

Figura 13.12 Agave. Planta monocárpica que, após uma única floração, senesce e morre. Imagem cedida por Lia Chaer.

 

A senescência envolve tanto eventos citológicos quanto bioquímicos. Os cloroplastos do mesofilo são as primeiras organelas a entrar no processo de deterioração e de senescência foliar, desencadeado por hidrólise das proteínas constitutivas dos tilacoides, do estroma (enzimas), degradação da clorofila e consequente perda da cor verde. A coloração amarelo-avermelhada das folhas senescentes resulta da presença de carotenoides, antes mascarados pela clorofila. A senescência foliar progride com a redução do volume citoplasmático, o número de ribossomos etc. A despeito dessas profundas modificações, o núcleo permanece estrutural e funcionalmente intacto até os estágios finais da senescência foliar.

As flores podem também ser mencionadas como órgãos de senescência

simultânea, principalmente suas pétalas, sépalas e estames (ver Figura 13.11 E), o que é facilmente visível, por exemplo, nos ipês e jacarandás-mimosos brasileiros, ambos da família Bignoneaceae. Quando não fecundadas, as flores inteiras caem.

O tempo de vida das flores é específico para cada espécie e finamente regulado em virtude de sua necessidade ecológica. Em primeiro lugar, as flores representam importantes drenos de energia e mantê-las por longos períodos, além do tempo necessário, acarreta um alto custo para as plantas. Em segundo lugar, esses órgãos podem representar vias de entrada de organismos patogênicos no sistema vascular, através do estigma. Em terceiro lugar, a remoção das flores após a polinização diminui a concorrência com as demais pela atenção dos polinizadores, aumentando as chances de fecundação na espécie.

Assim, sejam as flores polinizadas ou não, as plantas desenvolveram uma série de estratégias bioquímicas para limitar o tempo de vida delas, e os fitormônios desempenham papel-chave na regulação desses eventos.

O etileno é um dos reguladores mais notadamente envolvidos na senescência dos órgãos florais. Em muitas espécies, observa-se uma elevação na sua síntese seguida pela polinização, desencadeada no estigma da flor pela auxina presente nos grãos de pólen. O ACC é sintetizado e transportado para pétalas, sépalas e estames, onde é oxidado a etileno, dando início à senescência. Tal qual nos frutos climatéricos, a sensibilidade ao etileno modifica à medida que a flor se desenvolve, sendo mais intensa nas flores plenamente desenvolvidas que nas flores imaturas. Em muitas espécies, após alcançada a maturidade, as flores passam a sintetizar etileno, acelerando mais a senescência e a abscisão, independentemente da polinização.

O tratamento de flores com inibidores da ação do etileno, como o 1-metilciclopropeno (MCP), ou inibidores de sua síntese, como a aminoetoxivinilglicina (AVG) e íons cobalto, atrasa a senescência das flores. Da mesma forma, os mutantes ein2, ein3, etr1 e ers2 de A. thaliana, insensíveis ao etileno, apresentam atraso na abscisão floral.

Embora tais observações apontem para um papel relevante do etileno na senescência e na morte das flores, em algumas espécies, como Hemerocallis e Alstroemeria, esses eventos parecem progredir na ausência desse hormônio, indicando, presumivelmente, o envolvimento de outros reguladores.

Embora a senescência envolva processos de degradação de estruturas e desativação de funções, paradoxalmente a ocorrência desses eventos catabólicos depende da síntese de novo de enzimas hidrolíticas, como

proteases, lipases e ribonucleases (Figura 13.13). Um exemplo que ilustra de forma clara tais eventos bioquímicos é encontrado em várias espécies do gênero Ipomoea. As flores dessas plantas apresentam um ciclo de vida de 7 dias, e, no mesmo dia em que ocorre a completa abertura floral, começam a aparecer os sintomas de senescência, principalmente nas pétalas.

As flores das Ipomoea são particularmente sensíveis ao etileno; tratamentos com esse hormônio aceleram, substancialmente, a senescência. Logo após a completa abertura, as flores começam a produzir e emitir

níveis crescentes do hormônio (Figura 13.13), que, por sua vez, sinaliza para a indução de diversos genes associados à senescência (SAG – senescence associated genes).

Alguns desses genes foram caracterizados como responsáveis pela codificação de enzimas ligadas ao metabolismo da parede celular, entre as quais uma extensina, uma cafeoil-3-O-metiltransferase (enzima ligada à síntese de lignina) e uma pectina-cetilesterase. Tais enzimas devem desempenhar seu papel nas alterações da parede celular associadas à abertura da corola e, posteriormente, ao enrolamento desta na fase seguinte

(estágio 4, Figura 13.13). Os genes de algumas cisteína proteases também aumentam sua expressão nas fases iniciais da senescência das pétalas, correlacionadas com o aumento geral da atividade proteolítica. Proteases dessa classe são as mais tipicamente associadas à morte celular programada, tanto em plantas quanto em animais.

 

Abertura do gancho subapical O gancho subapical, também conhecido por gancho apical ou gancho plumular, é encontrado na maioria das dicotiledôneas muito jovens, atuando na proteção do meristema apical durante o crescimento das plântulas, ainda quando sob o solo. Uma maior produção de etileno foi verificada na região interna do gancho subapical de feijão em comparação à porção externa – nesse caso, a aplicação do inibidor de etileno AVG resultou na abertura do gancho.

Plantas crescidas no escuro e, portanto, estioladas apresentam uma produção elevada de etileno, reduzida com a exposição à luz. Aparentemente, o fitocromo atua intermediando essas respostas: enquanto a luz no comprimento de onda vermelho (660 nm) inibe a produção de etileno, o vermelho-extremo (730 nm) produz o efeito contrário (ver

Capítulo 15). A luz vermelha, inibindo a produção do etileno, causa um efeito promotor na abertura do gancho subapical em ervilha, trigo, arroz, soja e cevada. A diminuição da síntese desse hormônio resulta da diminuição dos teores de ACC disponíveis em função da síntese aumentada de sua forma inativa: o malonil ACC (mediada pela malonil ACC transferase).

Figura 13.13 Alterações fenotípicas em flor de Ipomoea sp., destacando o desenvolvimento, a abertura floral e a senescência (alto). O tempo de vida do órgão floral nessa espécie compreende um curto período de 6 a 7 dias. O gráfico apresenta alterações de diversos parâmetros associados à senescência da Ipomoea sp. A produção do etileno, que nas fases iniciais de desenvolvimento é produzido em pequena quantidade, aumenta no início da senescência e é um dos sinais que coordenam as alterações relativas a essa fase, entre as quais: aumento na atividade de RNAses, com consequente diminuição no conteúdo de RNA total nos tecidos da corola; diminuição no teor de fosfolipídios de membrana, indicando processos degradativos em células e organelas; aumento na atividade de enzimas, como a betagalactosidase, que atuam sobre a parede celular, levam a modificações e, por fim, à degradação dessa estrutura; aumento na atividade de cisteína proteases associadas ao catabolismo proteico.

 

Expansão e epinastia de folhas

A expansão das folhas de plantas de batata, tabaco, girassol e gramíneas pode ser inibida pela aplicação de etileno, em virtude, aparentemente, da diminuição na taxa de divisão celular.

A epinastia, isto é, a curvatura para baixo da folha decorrente do maior alongamento das células da parte superior do pecíolo, é considerada por alguns autores um efeito direto do etileno, enquanto para outros decorreria de uma redistribuição e do acúmulo de auxina na parte superior do pecíolo, induzidas por esse hormônio.

A aplicação de Ethrel em plantas ainda pequenas de Croton urucurana, uma Euphorbiaceae lenhosa brasileira, promove uma maior curvatura epinástica nas folhas tratadas com concentrações mais elevadas dessa

substância (Figura 13.14). Entretanto, a curvatura das folhas em resposta ao tratamento com etileno não foi verificada com a mesma intensidade em outras plantas.

Plantas submetidas ao alagamento geralmente apresentam epinastia, como observado em tomateiros. Nelas, a epinastia resulta de um aumento tanto na síntese da enzima ACC sintase quanto na produção de ACC no sistema radicular. Essa substância, quando transportada pelo xilema para a parte aérea, na presença de O2 é convertida em etileno pela ACC oxidase, resultando em um rápido estabelecimento da epinastia foliar.

 

Lenticelas hipertro adas

O etileno está associado à hipertrofia de lenticelas caulinares, a qual resulta do aumento de tamanho de células parenquimatosas encontradas com seus poros. Em plantas de Croton urucurana mantidas sob condições de capacidade de campo e tratadas com Ethrel, observou-se que o número de lenticelas aumentava com o aumento da concentração dessa substância

liberadora de etileno (Tabela 13.3). Essa hipertrofia tem sido observada na base de caules e em raízes de plantas sujeitas ao alagamento, representando estruturas importantes para a eliminação de compostos tóxicos, como o etanol, e também para a captação do oxigênio, que se difunde da parte aérea para as raízes submersas sob hipoxia.

Figura 13.14 Curvaturas (graus) das folhas de plantas de Croton urucurana provocadas pelo tratamento com 150 e 300 mg –1 ℓ de Ethrel, durante 30 dias. Fonte: Colli (1998).

 

Indução oral e expressão sexual

A promoção do florescimento pelo etileno, observada inicialmente em abacaxizeiro e mangueira por meio da fumaça de madeira, é limitada a um pequeno número de espécies, destacando-se as de Bromeliaceae. Em plantas de abacaxi, a aplicação de Ethrel ou de auxinas que induzem a produção de etileno sincroniza a resposta de floração e, portanto, a coleta dos frutos, representando uma importante prática horticultural. A resposta ao etileno depende da presença de pelo menos uma folha com grau mínimo de maturidade. Enquanto o tratamento de 6 h com etileno se mostrou suficiente para promover após 4 dias a indução floral em abacaxi, o tratamento com AVG em algumas espécies ornamentais de Bromeliaceae

atrasou a formação de flores (ver Capítulo 18).

A aplicação de etileno em bulbos de gladíolos, narciso e íris aumentou a formação de hastes florais. Em Narciso tazetta, a aplicação desse gás aumentou a taxa de floração em 70% e reduziu em 20 dias o período de juvenilidade.

Tratamentos com etileno podem promover a feminilização na alga marinha Dictiostelium mucoroides e na briófita Selaginella, assim como em plantas vasculares (p. ex., as Cucurbitaceae). Esse processo pode ser resultante da indução de um meristema floral feminino ou da ação letal do etileno na gametogênese masculina. Em Gramineae, especialmente em trigo, 89% das plantas tratadas com esse fitormônio apresentaram esterilidade masculina. Por sua vez, a aplicação de etileno em Cucurbitaceae, Morus, Ricinus communis (mamona) e Spinacia induziu a formação de flores femininas. O tratamento com giberelina exerce um efeito contrário ao etileno, favorecendo a produção de flores masculinas, o que também é verificado com a aplicação tanto de inibidores da síntese de

etileno (AVG) quanto de sua ação (íons prata) (ver Capítulo 11).

 

Tecidos secretores

Algumas plantas apresentam tecidos secretores, como os ductos de resina em Pinaceae e os ductos gomíferos em Prunoideae, Citrus e Acacia. O etileno tem sido associado à indução dessas estruturas secretoras, relacionadas geralmente com a defesa contra insetos e organismos causadores de doenças. A aplicação de Ethrel estimulou a formação de resinas e ductos resiníferos em Pinus, além da formação de gomas em Citrus vokameriana, mangueira e cerejeira. Estresses, como o alagamento, induzem a produção de etileno e a formação desses ductos resiníferos.

Tabela 13.3 Número médio de lenticelas hipertrofiadas encontradas em uma área de 0,25 cm 2 –1 na base caulinar de plantas de Croton urucurana tratadas com 150 e 300 mg ℓ de Ethrel. Médias seguidas de letras iguais não diferem estatisticamente pelo teste de Tukey (P < 0,05).

Ethrel (mg –1 ℓ) Número de lenticelas 0 0 b

 

150 1,15 b

 

300 4,29 a

 

Adaptada de Colli (1998).

 

Em Hevea brasiliensis (seringueira), a aplicação de ACC é capaz de desencadear um aumento na produção e fluxo de látex, uma técnica utilizada na produção comercial da borracha.

 

Amadurecimento de frutos

Um dos processos em que o papel do etileno é mais intensamente envolvido e conhecido consiste no amadurecimento de frutos climatéricos, tanto que por muitos anos e ainda hoje este é referido como “hormônio do amadurecimento”.

 

Abscisão

Ao longo do desenvolvimento, as plantas vasculares podem liberar folhas, flores, partes das peças florais e frutos. Esse é o processo de abscisão, geralmente relacionado com frutos maduros, órgãos senescentes ou danificados. A abscisão ocorre na camada ou zona de abscisão, um conjunto de células diferenciadas tanto morfológica quanto fisiologicamente. As zonas de abscisão localizam-se entre o órgão e o ramo da planta e se estabelecem, precocemente, durante o desenvolvimento do órgão.

Com base em evidências experimentais disponíveis, tem-se sugerido que a abscisão seria controlada principalmente pela ação de dois hormônios: etileno e auxina. O primeiro teria um papel desencadeador da abscisão, enquanto a auxina estaria envolvida em uma redução da sensibilidade das células ao etileno, prevenindo ou retardando a queda dos

órgãos (ver Capítulo 9). De fato, a aplicação de etileno estimula a abscisão após as células da camada de abscisão terem alcançado o necessário grau de competência para tanto. De modo geral, órgãos ainda bastante jovens não respondem ao etileno. O efeito do etileno tem sido satisfatoriamente revertido pela aplicação de substâncias inibitórias da síntese ou da ação do etileno (anteriormente mencionadas). As evidências disponíveis indicam que o efeito da auxina, nesse caso, ocorreria sob um rígido controle de sua concentração endógena no órgão. Experimentos nos quais foram retirados os limbos das folhas mostraram que os pecíolos logo sofriam abscisão, a qual, por sua vez, podia ser retardada se fosse aplicada pasta de lanolina contendo de 0,1 a 10 mg g–1 de AIA. Tratamentos com doses elevadas de auxinas podem ter efeitos opostos, nesses casos contribuindo para a aceleração da abscisão, conforme tem sido verificado em folhas de várias espécies de angiospermas. Experimentos têm mostrado, em vários tipos de tecidos, que teores elevados de auxina estimulam a síntese de etileno; trata-se de um efeito bastante conhecido das auxinas. O emprego de auxinas sintéticas como agentes desfolhantes é conhecido há tempos, destacando-se entre elas o ácido 2,4,5-triclorofenoxiacético (2,4,5-T), componente ativo do “agente laranja”, extensamente utilizado na guerra do Vietnã.

Do ponto de vista estritamente mecânico, a abscisão decorre do estabelecimento de uma fina camada transversal de células ao órgão, cujas ligações de paredes, inicialmente fortes, tornaram-se enfraquecidas por causa das atividades de enzimas digestoras de parede como celulases e

poligalacturonases ou pectinase (ver Capítulo 8).

Conforme esquematizado na Figura 13.15, as células da zona de abscisão são relativamente pequenas. Nessa condição, a folha mantém-se ligada à planta graças a um gradiente de auxinas que flui do limbo em direção ao caule, tornando as células dessa camada pouco sensíveis ao

etileno (Figura 13.15 A). A diminuição do gradiente de auxina está associada a maturidade foliar, estresse ou ácido abscísico, que eleva

substancialmente a sensibilidade dessas células ao etileno (Figura 13.15 B), de modo que mesmo um pequeno aumento deste último é suficiente para estimular a formação de enzimas como as celulases, que hidrolisam a

parede celular, causando sua ruptura (Figura 13.15 C). Conforme ainda

mostrado na Figura 13.15, as células mais externas (do lado caulinar), mesmo após a abscisão, continuam a aumentar de tamanho; quando esse processo se encerra, elas se encontram suberificadas e mortas, contribuindo

assim para a formação de uma camada de proteção externa (Figura 13.15 C).

 

Figura 13.15 Representação esquemática da abscisão de órgãos como folhas, flores e frutos. (A) Órgão (O) preso à planta (P), cujas células da zona de abscisão (ZA) são hidrolisadas em virtude do decréscimo do teor de auxina e do incremento da sensibilidade e/ou do nível de etileno, levando à sua queda (B). As células junto ao caule expandem-se e morrem (C).

 

A abscisão depende da ativação de determinados genes que codificam enzimas hidrolíticas das paredes celulares. Tem sido observado que genes que codificam para a celulase, como a beta-1,4-glucanase, são induzidos preferencialmente nas células da zona de abscisão. Em tomate, foram detectados sete genes (cel1 a cel7) codificantes para sete diferentes isoenzimas. Na separação do pedúnculo, o maior nível de expressão foi encontrado nos genes cel1, cel2 e cel5.

A poligalacturonase, ou pectinase, está também relacionada com a separação de células tanto na abscisão de folhas quanto de flores e frutos. Conforme já mencionado, a síntese dessa enzima depende da presença de etileno, sendo três isoformas associadas à abscisão de tomate (TAPG1, TAPG2 e TAPG4).

 

Crescimento e diferenciação de raízes

Crescimento

As raízes costumam responder de forma acentuada ao etileno, o qual pode se acumular na atmosfera do solo em concentrações relativamente mais elevadas que no ar externo. O crescimento das raízes é promovido por concentrações baixas de etileno e inibido sob concentrações mais elevadas desse gás.

O etileno parece estar envolvido na penetração das raízes no solo: raízes de plantas de tomate cultivadas in vitro não conseguiam crescer no ágar quando tratadas com tiossulfato de prata, uma substância inibidora da ação etilênica.

Raízes submetidas a barreiras mecânicas, como solos compactados, apresentam um aumento no diâmetro e uma diminuição no alongamento, tornando-se mais curtas e grossas. O crescimento radial da raiz principal sob impedimento mecânico parece resultar de uma maior produção de etileno. De fato, raízes de Vinca crescidas sob condições de estresse mecânico apresentaram um aumento de cerca de seis vezes no teor de etileno em relação às plantas-controle.

 

Formação de pelos absorventes Os pelos absorventes, além de atuarem como uma espécie de âncora junto às raízes, têm a função de facilitar a absorção de água e nutrientes, favorecida pelo aumento da área da superfície epidérmica. A formação de pelos, tanto na zona de alongamento quanto em outras partes de raízes de ervilha, feijão, alface, milho e orquídeas, pode ser promovida pela elevação do teor de etileno.

 

Raízes adventícias

A formação de raízes adventícias em estacas tem sido relacionada tanto com a existência de auxina quanto de etileno. Nesse caso, postula-se que o etileno desempenhe um papel específico, aumentando a sensibilidade dos tecidos à ação das auxinas, estas sim os agentes controladores do processo

de formação de raízes adventícias (ver Capítulo 9). Um aumento no teor de etileno resulta em um incremento no número de raízes adventícias formadas, porém estas apresentam menor comprimento, conforme

observado em estacas de Vigna radiata tratadas com ACC (Figura 13.16). Verificou-se que estacas caulinares de plantas mutantes do tomate Never ripe (Nr), deficientes para receptores de etileno e, portanto, com baixa sensibilidade a esse hormônio, apresentaram, em relação às plantas selvagens, uma diminuição acentuada na capacidade de formação de raízes adventícias, mesmo quando tratadas com auxina (AIB). Essa diminuição na capacidade de formação de raízes adventícias foi observada também em estacas de Petunia mutante deficiente para a sensibilidade ao etileno. Contrariamente, em estacas do mutante epi (superprodutor de etileno), a formação de raízes laterais aumentava significativamente.

A sobrevivência de várias espécies de mono e dicotiledôneas submetidas ao alagamento está em parte associada à capacidade de formarem raízes adventícias, geralmente com aerênquima, que substituem as raízes mortas ou prejudicadas pelos teores baixos de O2 no solo (acidose e acúmulo de etanol). A maior concentração de etileno verificada em plantas submetidas ao alagamento aumentaria a sensibilidade dos tecidos à auxina disponível, promovendo o desenvolvimento das raízes adventícias. Portanto, o transporte basípeto da auxina atua como um pré-requisito para a formação de raízes, conforme observado em Rumex palustris. A formação desses órgãos pode ser mais intensa em plantas encontradas em solos úmidos que em solos mais secos, como verificado em várias espécies de

Rumex encontradas nas margens do rio Reno na Holanda (Figura 13.17).

 

Figura 13.16 Efeitos da aplicação de ACC após 72 h em estacas de Vigna radiata. O etileno promove a formação de um maior número de raízes adventícias (A), porém inibe o crescimento longitudinal destas (B). Adaptada de Riov e Yang (1989).

 

Aerênquima

A anatomia das raízes pode ser profundamente alterada em plantas submetidas ao alagamento; nesses casos, desenvolvem-se raízes

aerenquimatosas, cuja principal função é facilitar a aeração (Figura 13.18). O aerênquima pode ser formado tanto pelo afastamento de células (aerênquima esquizógeno) quanto por meio da lise celular (aerênquima lisígeno). O aumento na difusão do ar promovido pelo aerênquima possibilita a síntese de ATP, mesmo quando as raízes se encontram submersas em ambientes hipóxicos, como no caso de plantas de arroz.

O aerênquima resulta de células corticais específicas localizadas entre a endoderme e a epiderme; são células programadas geneticamente para morrer (morte celular programada). O acúmulo de etileno desencadeia a morte dessas células, levando à formação de um aerênquima lisígeno, resultante de um aumento do conteúdo de enzimas, como a celulase e a xiloglucano transglicosilase hidrolase (XTH), que afrouxa as paredes celulares. A celulase provoca a degradação das paredes celulares, a qual, junto à desorientação dos microtúbulos, também induzida pelo etileno, resulta na morte das células do córtex das raízes, formando esse tipo de

aerênquima (Figura 13.19). Um bom exemplo da importância do etileno na formação do aerênquima lisígeno foi observado em raízes de milho; nestas, enquanto inibidores da síntese ou da ação do etileno inibiam a formação do aerênquima em plantas sob condição de hipoxia, nas plantas sob aerobiose tratamentos com etileno resultavam no desenvolvimento de aerênquima lisígeno.

 

Figura 13.17 Massa seca (g) das raízes adventícias desenvolvidas em espécies de Rumex crescidas em um gradiente de ambientes secos a úmidos nas margens do rio Reno (Holanda). Os valores correspondem à média de três amostras. Adaptada de Voesenek e Van Der Veen (1994).

Figura 13.18 Câmaras aerenquimatosas (c) em cortes transversais de raízes secundárias de Spatodea campanulata. A. Plantas em solo drenado. B. Plantas em solo alagado. Adaptada de Medri e Correa (1985).

 

Figura 13.19 Representação esquemática das etapas envolvidas na formação de aerênquima lisígeno.

 

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