Wat is ethyleenbiosynthese?
Ethyleen is een verbinding van koolstof en waterstof met de chemische formule C2H4. Het is een kleurloos gas met een zoete geur dat op grote schaal wordt vervaardigd door de petrochemische industrie voor voornamelijk gebruik bij de productie van kunststoffen. Ethyleen wordt ook geproduceerd door planten en fungeert als een hormoon dat cruciale plantenprocessen op een aantal manieren beïnvloedt. Het is ongebruikelijk dat zo'n klein molecuul actief is als een hormoon. Ethyleenbiosynthese in planten vindt plaats als reactie op verschillende spanningen, waaronder aanvallen door ongedierte en ziekten, droogte en weefselbeschadiging.
De effecten van ethyleen op planten zijn talrijk en gevarieerd. Het bekendste effect is het versnellen van de rijping van sommige soorten fruit, bijvoorbeeld appels, bananen en tomaten, maar geen citrusvruchten. Het was al sinds de tijd van de oude Egyptenaren bekend dat sommige vruchten sneller konden rijpen door kneuzingen; het is vaak alleen nodig om een fruit te kneuzen of te snijden om het rijpen van een groot aantal dat in dezelfde container is opgeslagen, te versnellen. Ethyleen werd pas in 1901 geïdentificeerd als de oorzaak van deze reactie en het was pas in de late 20e eeuw dat details van het proces van ethyleenbiosynthese in plantenweefsel werden onthuld.
Ethyleen remt de bloemproductie in de meeste planten, maar bevordert de zaadkieming en kan de ontwikkeling van zaailingen op een interessante manier beïnvloeden, bekend als de "drievoudige respons". Zaailingen die in donkere omstandigheden worden gekweekt en worden blootgesteld aan ethyleen, vertonen een karakteristieke verdikking en verkorting van de stengel, en verhoogde kromming van de apicale haak - een structuur die het groeicentrum aan het uiteinde van de stengel beschermt. Ethyleen bevordert ook de vernietiging van chlorofyl, de productie van pigmenten genaamd anthocyanines - geassocieerd met herfstkleuren - en veroudering en het afstoten van bladeren. Omdat de verbinding een gas is, en - zoals de meeste hormonen - effectief is bij zeer lage concentraties, kan het gemakkelijk diffunderen door plantenweefsel, en dus kan de productie van deze verbinding door één plant invloed hebben op anderen in de buurt. Ethyleen uit industriële bronnen en automotoren kan ook planten aantasten.
Het uitgangspunt voor ethyleenbiosynthese in planten is methionine, een essentieel aminozuur dat in de chloroplasten wordt geproduceerd. Dit reageert met adenosinetrifosfaat (ATP) om S-adenosyl-L-methionine (SAM) te produceren, ook bekend als S-AdoMet, gekatalyseerd door een enzym genaamd SAM-synthetase. Een verdere reactie zet SAM om in 1-amino-cyclopropaan-1-carbonzuur (ACC), gekatalyseerd door het enzym ACC-synthase. Uiteindelijk reageert ACC met zuurstof om ethyleen, waterstofcyanide en kooldioxide te produceren, gekatalyseerd door het enzym ACC-oxidase. Het waterstofcyanide wordt door een ander enzym omgezet in een onschadelijke verbinding, zodat bij ethyleenbiosynthese geen giftige chemicaliën vrijkomen.
ACC-synthase wordt door planten geproduceerd als reactie op stress, waardoor meer ACC en bijgevolg meer ethyleen wordt geproduceerd. De stress kan de vorm aannemen van een aanval door insectenplagen of plantenziekten, of kan te wijten zijn aan omgevingsfactoren zoals droogte, kou of overstromingen. Schadelijke chemicaliën kunnen ook leiden tot stress, wat leidt tot de productie van ethyleen.
Het plantenhormoon auxine, indien aanwezig in grote hoeveelheden, stimuleert de ethyleenproductie. Auxinische herbiciden, zoals 2,4-dichloorfenoxyazijnzuur (2,4-D), bootsen de werking van dit hormoon na en veroorzaken in veel planten ethyleenproductie. Hoewel het exacte werkingsmechanisme van deze herbiciden niet duidelijk is, lijkt het erop dat overmatige ethyleenproductie een rol kan spelen bij plantendood bij vatbare soorten.
Het doel van ethyleenbiosynthese in planten is vanaf 2011 een gebied van actief onderzoek. Gezien het brede scala aan effecten van dit hormoon, is het waarschijnlijk dat het meerdere rollen heeft. In het geval van zaailingen lijkt het te worden geproduceerd als reactie op weerstand van de grond tegen de zich ontwikkelende zaailing en om groeireacties te activeren die het groeicentrum helpen beschermen. Er zijn ook aanwijzingen dat het een rol kan spelen bij ziekteresistentie; experimentele studies suggereren dat planten zonder ethyleenrespons vatbaarder zijn voor sommige ziekten.