Etileno La hormona gaseosa La más simple de todas las hormonas

Historia y Descripción Descubrimiento 1901 Asociado a lámparas de combustible de carbón Senescencia y abscisión en hojas de árboles 1910 Naranjas inducen maduración de bananos (Etileno en plantas) 1910-1958 Poco interés, auxina, gas, se demostraron efectos en plantas 1959 Se logra medir por cromatografía de gas, retoma auge Transporte Movimiento pasivo Facil difusión Soluble en agua y lípidos Roles: afecta muchos procesos de germinación hasta maduración

Características Sitios de síntesis Tejidos dañados Tejidos senescentes Frutos madurando Se puede sintetizar en todos los órganos Plantas inferiores-cianobacterias-helechos-hongos Roles: afecta muchos procesos de germinación hasta maduración Roles biológicos Germinación Crecimiento de plántulas Senescencia y abscisión de órganos Respuesta al estrés Maduracón de frutos (climatéricos y biosíntesis de etileno)

Biosíntesis de etileno Metionina (MET) ACC sintetasa S-adenosyl-metionina (SAM) Acido 1-aminociclopropano-1-carboxilico (ACC) Metionina (aminoacido esencial) es el precursor, aplicaciones de metionina inducen respuestas similares. ACC es el elemento limitante de la síntesis de etileno, su cantidad es regulada por ACC sintetasa, esta es una enzima altamente regulada ACC se puede convertir en Etileno o en N-Malonyl ACC de manera reversible, es una forma de acumular etileno ACC oxidasa Etileno

BIOSINTESIS Yang’s cycle Transcriptional regulation Descubierta por Yang et al en 1984 1. conversión de sadenosil metionina en ACC (aminociclopropano acido carboxílico), esta reacción el la limitante en síntesis de etileno activada por ACC sintetasa en ARBD hay 6 ACC sintetasa: ACS1 a ACS6 ACS1 y ACS3 son pseudogenes ACS2 y 4 a 6 son regulados diferencialmente x factores biótcos y abióticos 2. ACC puede ser conjugado a malonyl o glutamyl –ACC u oxidado y transformado en Etileno 3. ACC sintetasa su actividad es regulada por condiciones ambientales, patógenos, heridas, otros RC Transcriptional regulation

Biosíntesis de etileno

Factores que afectan síntesis de etileno Promotores Oxígeno Auxinas Etileno Ac. Abscísico Estrés (sequía indundación frío, daños físicos o químicos) Cobre Etapa de desarrollo Inhibidores Aminoetoxivinilglicina (AVG) inhibe ACCsint Auxinas Giberelinas Anoxia Cobalto y Plata AgNO3 Inhiben acumul de Et Temperatura alta o baja Alta conc de CO2

Interacción hormonal ACS son genes de ACC sintetasa en Arabidopsis ACS2 y 4 a 6 son regulados diferencialmente x factores biótcos y abióticos ACS6 mRNA aumenta ante presencia de ozono ACS4 aumenta ante dosis bajas de CK ACS4 aumenta ante aplicación de auxinas ACS2 mRNA + hojas jóvenes y flores y tarde en formación de raíces Mutantes con respuesta reducida a CK muestran Triple respuesta Inhibe creimietno de raiz Aumenta crecimientoo radial del hipocotilo Exagera formación del gancho apical CIN5 no responde a CK y corresponde a mutación en ACS5 Brassinosteroides afectan tasa de transcripción de ACS Aux1, axr1 y eir1 (transportadores de auxina) tiene insensibilidad a etileno y respuesta a auxina Etileno-Ac. Jasmónico: involucrados en Respuesta Sistémica Inducida Conversión de s-adenosil metionina en ACC (aminociclopropano acido carboxílico), esta reacción es la limitante en síntesis de etileno activada por ACC sintetasa ARBD hay 6 genes de ACC sintetasa: ACS1 a ACS6 ACS1 y ACS3 son pseudogenes ACS 2 y 4, 5 y 6 son regulados diferencialmente x factores biótcos y abióticos ACS6 mRNA + ante presencia de ozono ACS4 + ante dosis bajas de CK ACS4 + ante aplicación de auxinas ACS2 mRNA + hojas jóvenes y flores y tarde en formación de raíces

Interacción hormonal ABA-Etileno ABA efecto negativo en mutantes que sobreproducen etileno ABA inhibe germinación y crec radical en plantas silvestres de ARBD C2H4 no inhibe germinación pero sí crec radical EIN2- es hipersensitivo a ABA en ensayo de germinación CTR1- es resistente al ABA en el test de germinación Indica que ABA induce síntesis de etileno o mayor sensibilidad

ESTUDIO DE VIAS DE RESPUESTA AL ETILENO Identificación de mutantes

BIOENSAYO: Triple respuesta en plántulas etioladas con etileno IDENTIFICACION DE MODO DE ACCIÓN BIOENSAYO: Triple respuesta en plántulas etioladas con etileno inhibe crecimiento radical engrosamiento radial del hipocótilo Formación del gancho apical exagerado Muy específica para etileno Respuesta es muy específica para el etileno que ha permitido identificar los genes involucrados en proceso de respuesta al etileno Tres tipos de mutantes: Insensibles al Etileno EIN Tejido específico Respuesta constitutiva: sobreproductores ETILENO respuesta triple constitutiva CTR Clonado y caracterización de genes involucrados

Receptores del Etileno Receptor de membrana Similar a sistema de 2 componentes de bacterias Proteina receptora con Histina kinasa Regulador de respuesta con motivo de recibo En ARBD hay 5 receptores: ETR1, ETR2, ERS1, ERS2y EIN4

Histidine kinase domain GAF domain Histidine kinase domain CTR1 interacting domain Receiver domain Membrane spanning domain Ethylene binding site through copper ion GAF motivo ubiquo de transmisión de señales, une a cGMP GAF motivo ubicuo de transmisión de señales, une a cGMP

Putative signal peptide ER localization (tobacco homolog-PM localization) Putative signal peptide

Receptores homo o heterodimerizan ETR1 y ERS1 con HK y Cu binding ETR1, ETR2 y EIN4 con Rec. Dom. Mutaciones individuales no afectan el fenotipo plt redundancia (no completa) Mutación múltiple induce TR lo que indica que función regulador negativo Receptor requiere Cu Combinación de receptores puede dar diversidad de respuesta Fig. 3. Linear representation of the ethylene signaling pathway.The main components, their molecular nature, and the phenotypic effects of mutations in these genes are shown. In Arabidopsis, there are five ethylene receptors. The receptor proteins show similarity to two-component histidine kinases, but only ETR1 and ERS1 contain a conserved histidine kinase domain. ETR1, ETR2, and EIN4 have receiver domains in their COOH-termini. The ETR1 and ERS1 receptors function as homodimers. Copper coordination in the receptor apoprotein is required for ethylene binding. Gain-of-function mutations in the receptor proteins produce ethylene-insensitive plants, whereas loss-of-function mutations activate the ethylene responses. Genetic data indicate that the ethylene receptors function as negative regulators of the pathway and are inactivated upon ethylene binding. The downstream Raf-like protein kinase CTR1 also functions as a negative regulator. Loss-of-function mutations in this gene lead to a constitutive activation of the pathway. The EIN2 protein contains two domains, the hydrophobic NH2-terminus with sequence similarity to the Nramp metal transporter proteins, and the hydrophilic COOH-terminus, probably involved in proteinprotein interactions. EIN2 is a positive regulator of the pathway, and loss of function of this gene produces completely ethylene-insensitive plants. EIN3 encodes a novel transcription factor that binds to the promoter of the ERF1 gene and activates its transcription in an ethylene-dependent manner. Loss of function of EIN3 results in partial ethylene insensitivity, suggesting that it is a positive regulator of the pathway.

Vía de señalamiento CTR1. mutante es TR constitutiva Naturaleza recesiva plt regulador negativo Es del tipo de MAK plt rol de P en señalamiento Evidencia in vitro señala que ETR1 y CTR1 pueden interactuar Expresado constitutivamente EIN2 mutante pierde respueta a Etileno plt regulador positivo Codifica proteína de membrana Se asociado a vias de traducción de auxinas, citoquinina y ABA y reducida sensibilidad a bacterias (rol directo o x insensib. al etileno) EIN3 sobre expresión causa hipersensibilidad: factor limitante en resp a etil. Expresión ubicua en la planta ERF1, factor de transcripción, se une a motiv GCC de genes inducidos por patógenos y por etileno

? EIN3 EBS GCC ETR1 CTR1 EIN2 nucleus 1º responsive genes (>120)

A model of the role of EIN5 in the ethylene signal transduction pathway A model of the role of EIN5 in the ethylene signal transduction pathway. Ethylene (C2H4) is perceived by repressing the action of receptor complexes including ETR/ERS/EIN4 receptors, RTE1, and Raf-like protein kinase CTR1, which negatively regulates downstream signaling component EIN2. Upon ethylene treatment, EIN2 is derepressed and could thus transmit the signal into the nucleus to activate a number of transcription factors, including EIN3 and EIL1. EIN3 directly binds to the regulatory elements of target genes and induces the expression of yet other transcription factors (i.e., ERFs and EDFs) that would ultimately regulate a series of ethylene responses. In the absence of ethylene signal, a Skp1-Cullin1-F-box complex consisting of one of two F-box proteins, EBF1 and EBF2, targets EIN3 protein for degradation via an ubiquitin/proteasome pathway. Interestingly, EBF1/EBF2 gene expression is induced by ethylene in an EIN3-dependent manner, which forms a negative feedback regulation on the EIN3 function. EIN5, a 5′→3′ exoribonuclease, is involved in facilitating the turnover of EBF1/EBF2 mRNA through a yet unknown mechanism. Therefore, EIN5 is proposed to antagonize the negative feedback regulation on EIN3 by promoting EBF1 and EBF2 mRNA decay, which consequently allows the accumulation of EIN3 protein to trigger the ethylene response. Red arrows and blue bars represent positive and negative regulations, respectively. The dotted lines represent regulatory steps in which a direct physical link between upstream and downstream components has yet to be demonstrated. Olmedo G et al. PNAS 2006;103:13286-13293 ©2006 by National Academy of Sciences

Bleeker y Kende,2000 Olmedo et al,2006

A model of the role of EIN5 in the ethylene signal transduction pathway. Ethylene (C2H4) is perceived by repressing the action of receptor complexes including ETR/ERS/EIN4 receptors, RTE1, and Raf-like protein kinase CTR1, which negatively regulates downstream signaling component EIN2. Upon ethylene treatment, EIN2 is derepressed and could thus transmit the signal into the nucleus to activate a number of transcription factors, including EIN3 and EIL1. EIN3 directly binds to the regulatory elements of target genes and induces the expression of yet other transcription factors (i.e., ERFs and EDFs) that would ultimately regulate a series of ethylene responses. In the absence of ethylene signal, a Skp1-Cullin1-F-box complex consisting of one of two F-box proteins, EBF1 and EBF2, targets EIN3 protein for degradation via an ubiquitin/proteasome pathway. Interestingly, EBF1/EBF2 gene expression is induced by ethylene in an EIN3-dependent manner, which forms a negative feedback regulation on the EIN3 function. EIN5, a 5′→3′ exoribonuclease, is involved in facilitating the turnover of EBF1/EBF2 mRNA through a yet unknown mechanism. Therefore, EIN5 is proposed to antagonize the negative feedback regulation on EIN3 by promoting EBF1 and EBF2 mRNA decay, which consequently allows the accumulation of EIN3 protein to trigger the ethylene response. Red arrows and blue bars represent positive and negative regulations, respectively. The dotted lines represent regulatory steps in which a direct physical link between upstream and downstream components has yet to be demonstrated.

EIN3 - a mutigen family (5-6?) of transcription factors, targeting EBS in ERF1 (ethylene primary responsive-AP2/EREBP-transcription factors) - acts as a homodimer (in vitro) to activate ERF1 transcription - ERF1 binds GCC box in ethylene 2nd responsive genes (e.g. PDF 1.2) - pre-existing TF, but not induced by ethylene; protein modification or accumulation is important

EIN2 - Nramp family of 12 membrane spanning motif metal ion-transporter - functional positioning ??? – metal ion as a secondary messenger??? - C-terminal end (cytosolic portion) can complement the mutant (not all, but subset of ethylene responses)

Mutaciones en CTR1 Loss of function receptor: receptor actúa como si estuviera reciendo etileno todo el tiempo Constitutive receptor: receptor no parece detectar presencia del etileno

Epistatic analysis between CER (ctr1-1) and ETR/EIN mutants Col-0 in C2H4 etr1-1 in C2H4 Epistatic analysis between CER (ctr1-1) and ETR/EIN mutants – linear signaling pathway air C2H4 ctr1-1 Biochemistry of ethylene signal transduction gene cloning – protein identity protein ID based functional positioning in signaling pathway manipulation of gene action in planta ein2-1 ein3-1