En plantas superiores el ET se produce a partir del aminoácido metionina, que es convertido a S-adenosil-metionina (SAM) por la enzima SAM-sintetasa (Figura 3). La SAM es el donador de grupos metilo más importante en las plantas, estando implicado en reacciones de metilación de lípidos, proteínas y ácidos nucleicos (Fontecave et al., 2004). La SAM es el sustrato de la enzima ACC sintasa (ACS), que cataliza su conversión en 5´-metil-tioadenosina (MTA) y en el aminoácido no proteico ácido 1- aminociclopropano-1-carboxílico (ACC), precursor del ET. El MTA puede destinarse a la regeneración de metionina a través del llamado ciclo de Yang. Finalmente el ACC es oxidado por la enzima ACC oxidasa (ACO) para formar ET, cianuro de hidrógeno (HCN) y dióxido de carbono (CO2).
La conversión de SAM a ACC es el primer paso específico en la síntesis de ET, y, en general, es el paso limitante en la biosíntesis de esta hormona (Wang et al., 2002).
La enzima SAM sintetasa está implicada en muchas otras rutas metabólicas a parte de la biosíntesis de ET (Ravanel et al., 1998). Hasta el momento no se ha observado inducción de ninguna SAM sintetasa debido al ataque de patógenos o estreses abióticos. El estudio de los genes que codifican ACO en A. thaliana ha demostrado su regulación diferencial en respuesta al estrés biótico y abiótico (Wang et al., 2002; Zimmermann et
al., 2004), sugiriendo que su control transcripcional contribuye a la
regulación en la producción de ET. Sin embargo, la regulación de la producción de ET está relacionada fundamentalmente con el control transcripcional de las ACS como se indica a continuación. La ACS está también codificada por una amplia familia multigénica en plantas (Johnson y Ecker, 1998; Bleecker y Kende, 2000). Debido a su importante función en la síntesis de ET, la regulación de ACS ha sido muy estudiada. Hay estudios que han demostrado la importancia de la transcripción diferencial de varios miembros de la familia de genes de ACS en la regulación de la producción de ET en respuesta a diferentes estímulos (Barry et al., 2000). Además, la regulación post-transcripcional de las proteínas ACS es un punto de control fundamental en la producción de ET (Chae y Kieber, 2005).
Figura 3. Ruta de biosíntesis de etileno. Abreviaturas: ACC, ácido 1-
aminociclopropano-1-carboxílico; ACO, ACC oxidasa; ACS, ACC sintasa; SAM, S- adenosil-metionina.
Ruta de señalización del etileno
El ET producido tanto por estímulos internos o externos es percibido por la célula, y esta señal es seguidamente transmitida a través de una única cascada de señalización bien conservada (Guo y Ecker, 2004; Alonso y Stepanova, 2004) (Figura 4).
Figura 4. Esquema simplificado de la ruta de señalización de etileno. Las
flechas y líneas cortadas indican regulación positiva y negativa respectivamente. Las flechas blancas indican la dirección de la ruta. Las proteínas están representadas por cuadrados. Adaptado de Broekaert et
En A. thaliana existen cinco receptores celulares de ET (ETR1, ETR2, ERS1, ERS2 y EIN4), que comparten una región de secuencia conservada en la zona N-terminal, que se ha demostrado estar implicada en la unión con ET, al menos en ETR1 y ESR1 (Hall et al., 2000). Estos receptores regulan negativamente la respuesta a ET y en ausencia de la hormona se unen a CTR1, el regulador negativo de la respuesta, manteniéndolo en una conformación activa de inhibición (Gao et al., 2003). La mutación ctr1 presenta de forma constitutiva el fenotipo de triple respuesta a ET (“Constitutive Triple Response”). La presencia de ET supone el desbloqueo de la represión causada por CTR1 y, por tanto, permite que se desencadenen las respuestas al ET.
Una de las herramientas disponibles en la actualidad para estudiar los efectos del ET consiste en la utilización de agentes inhibidores de su biosíntesis y/o de su percepción. Entre estos agentes destaca el 1- metilciclopropeno (1-MCP). El 1-MCP produce inhibición de la percepción del ET porque se une covalentemente a sus receptores celulares, de modo que la hormona no puede ser detectada por la célula, y su efecto es anulado (Blankenship y Dole, 2003). Desde el descubrimiento del efecto del 1-MCP como inhibidor de la percepción del ET, se han escrito numerosos estudios acerca de su acción, aplicación y efecto. Este regulador del crecimiento de las plantas es una buena herramienta como estrategia alternativa para el estudio del papel del ET en las plantas.
El desbloqueo de EIN2 por CTR1 permite la activación de EIN3 y otros factores de transcripción semejantes como EIL1 (“EIN3-like transcription factors”, EIL). En ausencia de ET, las proteínas EIN3/EIL1 son degradadas a través de la ruta mediada por el proteasoma. El control en la concentración de EIN3/EIL modula el flujo de señal en los siguientes pasos de transducción. Los factores de transcripción EIN3/EIL reconocen sus dianas en los promotores de los genes de respuesta al ET, entre ellos factores de transcripción de respuesta al ET (ERF) que amplifican la señal (Guo y Ecker, 2004; Gutterson y Reuber, 2004). Secuencias de DNA promotoras como las cajas GCC están presentes en los promotores de genes inducibles por ET, como los que codifican proteínas PR. Un subconjunto de proteínas ERF actúan como represores de transcripción (Ohme-Takagi y Shinshi, 1995). El conjunto de las diferentes acciones específicas de los factores de transcripción ERF, que pueden actuar activando o reprimiendo determinados genes de respuesta a defensa, es la
causa de que se produzca una respuesta precisa según el tipo de estrés biótico percibido por la planta.
El ET comparte con JA y SA entrecruzamientos en sus rutas de señalización. Estudios en A. thaliana demuestran que este cruce de rutas debe ocurrir después de EIN3/EIL (Alonso y Stepanova, 2004; Thatcher et
al., 2005). Se ha demostrado una expresión diferencial de genes que
codifican ERFs por aplicación de ET, JA y SA durante la respuesta a la infección por patógenos. Estos hechos parecen indicar que el cruce entre las rutas de las tres hormonas ocurre a nivel de las ERFs (Wang et al., 2002; Anderson et al., 2004). Las rutas de señalización mediada por ET y JA actúan regulando grupos comunes de genes implicados en las respuestas de defensa (Schenk et al., 2000; Glazebrook et al., 2003). Otros estudios confirman que las rutas del ET y JA actúan independientemente e incluso de modo antagonista respecto a las rutas dependientes de SA (Glazebrook et al., 2003). Este hecho se observa en la interacción de la rutas de señalización entre la resistencia a organismos biótrofos controlada por SA y la resistencia a organismos necrótrofos controlada por JA/ET, que ha sido esquematizada en la Figura 1.
En A. thaliana, ERF1 se induce durante la infección por ciertos hongos necrótrofos como B. cinerea. La infección de A. thaliana por
Plectosphaerella cucumerina además de inducir la ruta de señalización
mediada por SA, implica una sobreexpresión de ERF1 activando la ruta de señalización del ET, lo que le confiere resistencia a este hongo necrótrofo (Berrocal-Lobo et al., 2002). Sin embargo, la infección de A. thaliana por
Pseudomonas syringae tomato DC3000 induce la respuesta de defensa
mediada por SA pero no afecta la expresión de ERF1. Además, en este caso, la sobreexpresión de ERF1 reduce la tolerancia frente a este patógeno. Estos son dos casos donde se produce una interacción positiva y negativa entre las rutas mediadas por ET y SA, lo que sugiere que el sinergismo o antagonismo entre ambas hormonas depende del tipo de patógeno que infecta a la planta. Por otro lado, parece ser que los factores de transcripción ERFs de respuesta a ET actúan como conectores con otras rutas de transducción de señal relacionadas con diferentes estreses. Se ha observado que existen interacciones antagonistas entre componentes de la hormona de estrés abiótico ABA y las rutas de señalización del ET y JA que modulan la expresión génica en respuesta a estreses bióticos y abióticos (Chen et al., 2002; Anderson et al., 2004).
El tratamiento con ET ha sido ampliamente descrito como potenciador tanto de susceptibilidad como de resistencia de la planta, dependiendo del tipo de interacción entre la planta y el patógeno. Por ejemplo, el tratamiento de las plantas con ET induce la resistencia al hongo
B. cinerea (Diaz et al., 2002), mientras que en otros casos, la exposición
de las plantas a ET no tiene efecto o incluso conlleva una reducción del nivel de resistencia a diferentes patógenos (Brown y Hyoung, 1993). Varios estudios con diferentes patógenos de A. thaliana y otras plantas demuestran que los factores de transcripción ERF están implicados en la respuesta de defensa frente a diferentes patógenos, pero sus efectos sobre la resistencia a la enfermedad depende de la interacción específica entre la planta y el patógeno (Lawton et al., 1994; Berrocal-Lobo y Molina, 2004).