Quais as principais mudanças na composicao química dos frutos durante a maturação?

O papel central dos fitohormônios durante o desenvolvimento e amadurecimento dos frutos é considerado conhecimento estabelecido em biologia vegetal.

Talvez menos conhecido seja o crescente corpo de evidências sugerindo que os ácidos orgânicos desempenham uma função-chave no desenvolvimento das plantas e, em particular, no desenvolvimento, maturação e amadurecimento dos frutos.

Ao analisar o conteúdo metabólico de diferentes frutos durante sua trajetória ontogenética, notamos que o teor de ácidos orgânicos nos estágios iniciais de desenvolvimento dos frutos está diretamente relacionado ao fornecimento de substratos para os processos respiratórios.

Embora diferentes espécies de ácidos orgânicos possam ser encontradas durante o desenvolvimento dos frutos em geral, parece que o citrato e o malato desempenham papéis importantes nesse processo, pois se acumulam em uma ampla gama de frutos climatéricos e não climatéricos.

Destaco ainda o significado funcional das mudanças no perfil de ácidos orgânicos em frutas devido à manipulação de genes específicos de frutas ou ao uso de promotores específicos de frutas.

Apesar da complexidade por trás da flutuação no teor de ácidos orgânicos durante o desenvolvimento e amadurecimento dos frutos, ampliamos nossa compreensão sobre a importância dos ácidos orgânicos no metabolismo dos frutos e a necessidade de impulsionar ainda mais pesquisas futuras.

Acredito que a engenharia do metabolismo de ácidos orgânicos pode melhorar as características qualitativas e quantitativas dos frutos das culturas.

Introdução

Frutos verdadeiros são órgãos vegetais especializados encontrados apenas em angiospermas (ou seja, plantas com flores), e acredita-se que esses órgãos únicos tenham evoluído para melhorar a dispersão e a proteção de sementes.

A diversidade natural das angiospermas, variando de pequenas ervas a árvores maciças, juntamente com sua extraordinária capacidade de crescer em uma ampla variedade de habitats, resultou em sua íntima associação com os seres humanos.

Isso é particularmente verdadeiro considerando a conexão humana com os frutos e sementes de plantas com flores e seu valor econômico e nutricional.

Embora os frutos sejam geralmente caracterizados como derivados de um ovário maduro contendo sementes, muitas estruturas freqüentemente chamadas de frutos são, de fato, compostas por uma variedade de outros tipos de tecidos florais.

Os inúmeros tipos de frutos presentes nas angiospermas podem ser operacionalmente organizados em algumas categorias amplas, utilizando combinações de características como: (i) deiscência ou indeiscência; (ii) exterior carnoso ou seco; e carpelos livres (apocarpicos) ou fundidos (sincarpos).

Essas variações são exemplificadas ainda, por exemplo, por frutas carnudas, que evoluíram por um aumento dos tecidos circundantes de sementes para criar carne atraente para animais dispersores de sementes.

Os frutos secos, por outro lado, possuem um mesocarpo seco que normalmente precisa se abrir para liberar as sementes por meio de mecanismos de dispersão principalmente abióticos.

É tentador sugerir que essa alta diversidade de tipos de frutos seja adaptativa e associada a dispersores específicos.

Este fato à parte, a existência de correlações significativas entre o tipo de fruto e as condições de habitat nas angiospermas indica que a evolução da carnosidade do fruto está mais provavelmente associada a mudanças nos habitats da vegetação do que nos próprios dispersores.

Ambas as explicações não são mutuamente exclusivas.

De qualquer forma, a evolução dos frutos carnosos é um tema importante e continuamente recorrente no estudo da evolução das plantas com flores.

No entanto, deve-se ter cautela ao fazer suposições com relação ao valor adaptativo de características particulares de frutas.

Os estágios de desenvolvimento dos frutos podem ser divididos em: (i) frutificação; (ii) crescimento; (iii) maturação; e (iv) amadurecimento.

A frutificação ocorre durante e após a fertilização, que pode ser definida como a transição de um ovário quiescente para um fruto jovem de rápido crescimento e depende da conclusão bem-sucedida da polinização e fertilização.

Além disso, na ausência de polinização e fertilização bem-sucedida, os níveis de hormônios como auxinas e giberelinas caem e a flor inicia uma fase terminal de senescência, terminando em abscisão floral – um efeito intimamente associado ao pH celular nas células da zona de abscisão.

A partenocarpia, outro evento fisiológico que ocorre na ausência de polinização, é caracterizada por intensas alterações de fitohormônios como auxina, giberelina (GA), citocinina ou suas combinações durante a frutificação.

De fato, a aplicação exógena desses fitohormônios por si só pode desencadear o desenvolvimento de frutos, incluindo frutificação e crescimento de frutos, até certo ponto, e suas combinações induziriam um crescimento normal de frutos na ausência de fertilização.

Assim, o aumento do conteúdo ou percepção de GA está associado a frutos partenocárpicos em mutantes de tomate (Solanum lycopersicum L.), como pat, pat-2, pat-3/4, enquanto frutos partenocárpicos facultativos são observados no mutante procera.

Não apenas a giberelina, mas também a auxina tem sido determinante na partenocarpia em frutos de tomate, como mostrado nos mutantes pin4 arf7.

Por outro lado, quando a polinização e a fertilização ocorrem, uma cascata de eventos é desencadeada, levando ao desenvolvimento de sementes e crescimento de frutos.

Durante o crescimento do fruto, um sinal, provavelmente derivado de sementes (fontes e sumidouros de citocinina e auxina), induz a expansão dos tecidos vizinhos, tanto pela divisão celular quanto pela expansão, com uma correlação positiva entre o número de sementes e o tamanho do fruto.

Este fato à parte, a poliploidia, que está associada à expansão celular, é outra importante característica envolvida na determinação do peso e tamanho do fruto em tomateiro.

Além disso, há um acúmulo concomitante de produtos de armazenamento e açúcares.

A maturação dos frutos começa quando o crescimento pára, atingindo a competência para amadurecer, mas o próprio processo de amadurecimento é uma etapa posterior.

O amadurecimento é um processo complexo pelo qual ocorrem várias mudanças metabólicas relacionadas às características de amolecimento e sabor, bem como às características organolépticas.

A transição precisa entre todas as fases de desenvolvimento do fruto, incluindo maturação e amadurecimento, requer uma grande quantidade de energia.

Essa demanda energética é fornecida por ajustes metabólicos na abundância de diferentes classes de compostos de carbono (por exemplo, ácidos orgânicos, aminoácidos e açúcares) durante o desenvolvimento.

Essas mudanças metabólicas do desenvolvimento normal para o amadurecimento dos frutos são acopladas a um estágio geralmente breve de amadurecimento acelerado que normalmente está associado à respiração aprimorada.

Frutas carnudas são caracterizadas por uma ampla gama de tamanhos, formas e cores.

Além disso, diferentes espécies apresentam características de sabor únicas que são de importância fundamental em vários processos.

Tais aspectos são atrativos para animais frugívoros, favorecendo a dispersão de sementes e, além disso, tornaram-se parte indispensável da dieta humana.

Os frutos carnosos são bastante diversos, desde uvas (Vitis vinifera L.) e tomates, que são derivados do ovário, (os chamados frutos verdadeiros), passando por maçãs (Malus domestica L. Borkh) e abacaxis (Ananas comosus L. Merril), até morangos (Fragaria x ananassa Duch.), que são derivados dos tecidos do receptáculo ou da expansão das sépalas (chamados frutos pseudo- ou acessórios).

Os frutos carnosos têm sido tradicionalmente classificados como climatéricos ou não climatéricos, com base nas diferenças fisiológicas observadas em seu padrão respiratório e na dependência da biossíntese de etileno durante o amadurecimento. Frutos climatéricos, como maçã, banana (Musa paradisiaca L.), mamão (Carica papaya L) e tomate, apresentam aumento na respiração e na produção de etileno no início do processo de amadurecimento.

Por outro lado, frutas não climatéricas, como cítricos (Citrus spp.), uvas, melão (Cucumis melo L.) e morangos (Fragaria spp.) durante todo o desenvolvimento do fruto, incluindo maturação e amadurecimento.

Durante a maturação, os frutos passam por transformações dramáticas na cor, aroma, composição de nutrientes, sabor e firmeza.

Além disso, durante esse processo, a produção de espécies reativas de oxigênio desempenha um papel importante, por exemplo, na biossíntese de carotenóides e nas transformações de cloroplastos em cromoplastos, mostrando uma intrigante mudança metabólica juntamente com a maquinaria de biogênese de tilacóides interrompida e produção de energia elevada durante amadurecimento do fruto do tomate.

Esses autores também mostraram uma forte diminuição na abundância de proteínas de reações de luz (fotossíntese, ciclo de Calvin e fotorrespiração) e metabolismo de carboidratos (síntese/degradação de amido), principalmente entre os estágios de quebra (~35 dias após antese) e vermelho (55 dias após a antese), bem como um aumento na biossíntese de terpenóides (incluindo carotenóides) e proteínas de resposta ao estresse (ciclo ascorbato-glutationa, estresse abiótico, redox e choque térmico).

Todas essas transformações são resultado de processos complexos e dinâmicos que envolvem uma série de mudanças moleculares e bioquímicas sob regulação genética e/ou em resposta a perturbações ambientais.

Devido à sua importância econômica, as características organolépticas são objeto recorrente de investigações que buscam melhorar a qualidade dos frutos.

Entre as várias características que são claramente importantes para a qualidade do fruto, como a qualidade nutricional e sensorial (por exemplo, aspecto visual, firmeza e sabor), a palatabilidade assume-se como de grande importância metabólica, uma vez que esta característica depende principalmente do equilíbrio entre os ácidos orgânicos (acidez) e açúcar (doçura).

Essas duas classes de metabólitos estão diretamente ligadas ao metabolismo central do carbono, onde também estão envolvidos na rota biossintética de diversos compostos como aminoácidos, vitaminas e voláteis de aroma terpênico, que influenciam o aroma da fruta.

As alterações bioquímicas subjacentes ao amadurecimento dos frutos e sua regulação têm sido extensivamente estudadas em diferentes tipos de frutos.

No entanto, o papel que os ácidos orgânicos desempenham durante este processo não é totalmente compreendido.

As mudanças no perfil de ácidos orgânicos complexos ao longo do desenvolvimento do fruto são simplesmente uma consequência do processo ou desempenham um papel ativo na sequência de eventos que levam à maturação do fruto?

Aqui, fornecemos uma visão geral das últimas descobertas e sugerimos direções futuras sobre o metabolismo dos ácidos orgânicos durante o desenvolvimento e amadurecimento dos frutos.

Primeiro discutimos os papéis gerais dos ácidos orgânicos durante a maturação dos frutos, depois nos concentramos no comportamento metabólico desses compostos e sua relação com açúcares e hormônios durante o desenvolvimento dos frutos.

Finalmente, destacamos a importância do estudo do metabolismo dos ácidos orgânicos durante o desenvolvimento e amadurecimento dos frutos em diferentes frutos e delineamos estratégias para melhorar as características qualitativas e quantitativas dos frutos cultivados.

A diversidade funcional dos ácidos orgânicos: mais do que simples intermediários?

Durante o desenvolvimento do fruto, os níveis de ácidos orgânicos geralmente são inversamente relacionados aos níveis de açúcar.

Assim, durante a maturação e amadurecimento, os açúcares se acumulam, principalmente devido à importação de açúcar ou da degradação do amido, enquanto os ácidos orgânicos que se acumulam nos frutos jovens diminuem fortemente.

Malato e citrato são considerados os ácidos orgânicos mais abundantes presentes em frutos maduros climatéricos e não climatéricos.

Particularmente, o acúmulo e a degradação do malato ocorrem de forma diferente em frutos climatéricos e não climatéricos.

Enquanto alguns frutos climatéricos usam malato como substrato durante a explosão respiratória, os não climatéricos continuam acumulando malato ao longo do amadurecimento.

Curiosamente, os níveis de citrato são amplamente diminuídos durante o processo de amadurecimento, seguidos por diminuições de malato como substrato respiratório após o pico climatérico em frutos de mamão.

Da mesma forma, durante o amadurecimento dos frutos não climatéricos de laranja e limão há um declínio na acidez titulável, principalmente devido ao catabolismo do citrato.

De fato, o metabolismo e o acúmulo de ácidos orgânicos nas frutas estão sob controle genético e ambiental.

Além disso, através da análise de componentes principais, foi recentemente demonstrada a existência de uma mudança altamente conservada na dinâmica dos processos metabólicos durante o desenvolvimento e amadurecimento dos frutos entre espécies pertencentes a grupos climatéricos e não climatéricos.

Portanto, melhorar nossa compreensão atual desses fatores e suas interações é de importância fundamental para a melhoria da qualidade dos frutos.

A última década testemunhou um intenso esforço para melhorar nossa compreensão das funções alternativas dos componentes do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA), além de seu papel reconhecido como intermediários energéticos nas plantas.

A maioria dos estudos utilizando abordagens transgênicas para investigar o papel dos intermediários do ciclo do TCA, no entanto, tem sido realizado em órgãos vegetativos, como folhas e raízes.

O acúmulo de intermediários do ciclo do TCA é altamente variável dependendo dos tecidos da planta, estágios de desenvolvimento e fatores ambientais, provavelmente devido à sua ligação direta com a exportação de ácidos orgânicos e a regulação da fotossíntese.

No entanto, as vias complexas pelas quais os ácidos orgânicos são metabolizados e detalhes precisos de como eles são regulados in vivo permanecem, até o momento, insuficientemente compreendidos.

Os ácidos orgânicos podem suportar inúmeras e diversas funções nas plantas.

Por exemplo, as espécies C3 Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), soja (Glycine max) e girassol (Helianthus annuus) podem acumular altos níveis de fumarato.

Níveis mais altos de fumarato têm sido associados ao fornecimento de esqueletos de carbono para apoiar o crescimento.

Da mesma forma, o malato não só tem um papel importante durante a fotossíntese em plantas CAM e C4, mas também tem sido associado à regulação dos estômatos.

Notavelmente, os níveis de malato e fumarato mostram alterações diurnas semelhantes aos de carboidratos em algumas plantas C3, em que aumentam durante o dia e diminuem durante a noite, sugerindo que esses ácidos orgânicos também podem funcionar como moléculas transitórias de armazenamento de carbono.

Este fato à parte, a contribuição dos ácidos orgânicos para os processos metabólicos que afetam o desenvolvimento e a qualidade dos frutos ainda precisa ser elucidada.

Dissecar esses mecanismos é necessário para entender completamente os principais componentes subjacentes ao metabolismo dos ácidos orgânicos nos processos energéticos no crescimento e desenvolvimento dos frutos.

A função dos intermediários do ciclo do TCA tem sido amplamente demonstrada em diversos aspectos do crescimento de plantas e em resposta a condições de estresse.

Além disso, as funções de sinalização também foram recentemente demonstradas para diferentes intermediários do ciclo do TCA de humanos para plantas.

Assim, citrato, fumarato e succinato estão todos envolvidos na sinalização em células animais, enquanto também citrato malato e 2-oxoglutarato foram todos reconhecidos por desempenhar funções de sinalização em plantas.

Notavelmente, o modo de ação desses metabólitos dentro da rede de sinalização em que estão envolvidos é variável.

Por exemplo, foi demonstrado que o citrato regula os níveis de expressão de genes relacionados a vias respiratórias alternativas tanto no tabaco (Nicotiana tabacum) quanto na Arabidopsis.

Além disso, citrato, malato e 2-oxoglutarato podem afetar a assimilação de nitrogênio, controlando a abundância de transcritos de nitrato redutase (NR) no tabaco.

É razoável supor, portanto, que os intermediários do ciclo do TCA são bons candidatos para desempenhar papéis de sinalização no desenvolvimento de frutos de angiospermas, bem como durante a maturação e amadurecimento dos frutos.

Plantas de tomate transgênicas com expressão diferencial de todos os genes que codificam enzimas do ciclo TCA foram geradas e caracterizadas.

Coletivamente, isso permitiu a geração de um conjunto completo de linhagens de plantas nas quais a atividade das enzimas na via é progressivamente diminuída.

A caracterização dessas plantas proporcionou avanços em nosso conhecimento sobre as conexões metabólicas do ciclo do TCA com outras vias metabólicas.

De fato, esses estudos forneceram evidências convincentes da distribuição do controle no ciclo do TCA da planta.

Além disso, eles também demonstraram que os ácidos orgânicos desempenham funções importantes no controle de vários processos importantes relacionados ao metabolismo mitocondrial, incluindo fotossíntese, metabolismo de carbono para nitrogênio e equilíbrio redox.

A importância da sinalização dos intermediários do ciclo do TCA também pode depender de como exatamente o metabolismo da planta é reprogramado após mudanças em seus níveis.

Por exemplo, reduções na expressão de aconitase (ACO) e malato desidrogenase (MDH) resultaram em redução no tamanho e no rendimento dos frutos.

Anos depois, usaram tomateiros transgênicos deficientes na atividade da fumarase mitocondrial (FUM) para mostrar um forte efeito na fotossíntese causado por deficiências na função estomática seguida por um fluxo do ciclo do TCA subsequentemente reduzido, afetando a oxidação de carboidratos e ácidos orgânicos em toda a planta.

Plantas de tomate com expressão reduzida de citrato sintase (CS), isocitrato desidrogenase dependente de NAD (NAD-ICDH), isocitrato desidrogenase dependente de NADP citosólico (NADP-ICDH) e 2-oxoglutarato desidrogenase (OGDH) não mostraram diferenças na assimilação de carbono ou rendimento de frutos.

Em contraste, uma leve redução na atividade de NAD-ICDH mitocondrial, bem como na atividade de NADP-ICDH em linhagens transgênicas antisense resultaram em alteração da assimilação de nitrato e pigmentação e teor de aminoácidos, juntamente com redução do diâmetro do fruto e peso fresco, provavelmente associado à fonte..

Além disso, mudanças na OGDH resultaram em senescência precoce, juntamente com alterações significativas no padrão de metabólitos durante o desenvolvimento do fruto.

Além disso, a inibição antisense da Subunidade Ferro-Enxofre da Succinato desidrogenase (SDH) foi associada ao aumento da produção de frutos, enquanto as plantas mutantes SDH e MDH foram caracterizadas por frutos maiores afetando a qualidade dos frutos.

Coletivamente, esses dados fornecem evidências convincentes de que as conexões metabólicas associadas aos ácidos orgânicos relacionados ao ciclo do TCA são responsáveis, pelo menos parcialmente, por tais mudanças e, portanto, uma extensa reprogramação metabólica também ocorre em frutas quando ocorrem mudanças no ciclo do TCA.

Parece, portanto, tentador especular que as enzimas do ciclo TCA como alvo potencial para melhorar ainda mais a qualidade dos frutos.

No entanto, é necessária uma maior demonstração da importância das alterações nos níveis de ácidos orgânicos nas frutas para obter uma compreensão completa desse processo.

Isso provavelmente ocorrerá pela manipulação genética de genes específicos de frutas usando promotores específicos de frutas para entender os efeitos da maturação das frutas.

O comportamento metabólico dos ácidos orgânicos durante o desenvolvimento e Amadurecimento dos Frutos

O amadurecimento de frutas carnudas é frequentemente caracterizado por uma quebra de carboidratos armazenados em açúcares, juntamente com reduções na acidez, juntamente com aumentos nos voláteis de sabor e aroma.

É aceito que os ácidos orgânicos são importantes no controle do crescimento dos frutos via expansão celular através da absorção de água.

Assim, o acúmulo de ácidos orgânicos durante os estágios iniciais de desenvolvimento dos frutos está diretamente relacionado ao fornecimento de substratos para a manutenção dos processos respiratórios durante o desenvolvimento.

Notavelmente, diferentes espécies, incluindo maçãs, frutas vermelhas, frutas cítricas, uvas, kiwis (Actinidia deliciosa), pêssego, pimenta e tomate, apresentam um padrão metabólico muito semelhante em que maiores concentrações de ácidos orgânicos são observadas nos primeiros estágios de desenvolvimento do fruto, seguidas de uma clara reduções em seus níveis à medida que a maturação progride.

Além disso, variações quantitativas e qualitativas de ácidos orgânicos e açúcares são geralmente observadas em relação não apenas às cultivares e genótipos, mas também durante os estágios de maturação, afetando o sabor sem alterações no desenvolvimento e amadurecimento dos frutos.

Assim, como em muitos outros frutos carnosos, malato e citrato são os ácidos orgânicos predominantes identificados no pêssego maduro (Prunus persica (L.) Batsch).

O acúmulo de ácidos orgânicos é aparentemente bem regulado durante o desenvolvimento do fruto e é diferencialmente controlado durante os estágios de crescimento.

Ao usar seis cDNAs de pêssego que codificam proteínas-chave envolvidas no metabolismo de ácidos orgânicos e acúmulo de solutos, demonstrou que os genes envolvidos no ácido orgânico mostraram uma expressão mais forte durante o amadurecimento do fruto do que durante as fases iniciais de desenvolvimento.

Notavelmente, seus padrões de expressão não foram necessariamente correlacionados com as mudanças nos teores de ácidos orgânicos.

O teor de ácidos orgânicos e açúcares solúveis foi avaliado em damasco (P. armeniaca L. cv. Harcot), ameixa (híbrido ameixa-damasco, P. salicina × P. armeniaca L. cv. Harmony), ameixa (P. salicina Lindl cv. Formosa) e pêssego (P. persica L. Batsch cv. Jinmi).

Notavelmente, os ácidos orgânicos aumentaram principalmente durante os estágios iniciais do crescimento dos frutos e diminuíram até que os frutos estivessem totalmente maduros, enquanto a sacarose, frutose e glicose, mas não o sorbitol, aumentaram durante o desenvolvimento dos frutos.

Ao investigar uma série de cultivares de toranja (Citrus paradisi) produzidas na Turquia, mostrou que, na maioria dos casos, a sacarose foi o açúcar predominante, seguido da frutose e da glicose, enquanto o citrato foi o ácido orgânico mais abundante, seguido do malato, e que sua conteúdo aumentou com o amadurecimento.

As mudanças nas concentrações de açúcares e ácidos orgânicos em seis diferentes cultivares de citros Ponkan (C. reticulate) e Satsuma (C. unshiu), laranja doce Newhall (C. sinensis) e Early Gold (C. sinensis), pummelo HB (C. grandis ) e toranja Flame (C. paraíso) foi recentemente analisada.

Este estudo mostrou que as variações nas concentrações de açúcar dessas seis cultivares cítricas foram relativamente semelhantes com sacarose como o principal componente de açúcar em todas as fases.

Resultados semelhantes também foram encontrados anteriormente investigaram adicionalmente diferentes genótipos de morango e descobriram que a frutose, o principal açúcar, aumentou durante o amadurecimento.

Por outro lado, a concentração de citrato é variável entre os genótipos, enquanto a concentração de malato em todos os genótipos não muda durante o amadurecimento dos frutos.

Além disso, uma ampla comparação dos teores de açúcares e ácidos orgânicos em diferentes genótipos de morango, cereja doce, amora longa e amoreira pequena demonstrou que frutose e glicose foram os principais açúcares encontrados nos frutos, enquanto citrato e ascorbato foram os ácidos orgânicos predominantes em morango e amora, e ácido tartárico em cereja doce.

No mamão, fruto climatérico, quatro cultivares, Coorg Honey Dew, Pink Flesh Sweet, Sunrise e Washington, foram caracterizadas quanto à composição química e a sacarose foi o açúcar predominante em todas as cultivares.

No entanto, na cv. Washington observou-se um aumento do teor de glicose 140 dias após a antese em comparação com as demais cultivares.

Além disso, não foram observadas alterações na concentração de ácidos orgânicos nas diferentes cultivares de mamão.

Por outro lado, sete cultivares de tomate foram estudadas em relação às suas alterações composicionais durante os diferentes estádios de maturação.

Demonstrou-se que o teor de açúcar foi diferentemente modificado de acordo com as cultivares em diferentes estádios de maturação, com aumentos em todas as sete cultivares provavelmente devido à conversão de amido em açúcares, enquanto a acidez do fruto foi ligeiramente aumentada em todas as cultivares.

Ao todo, esses estudos sugerem que os níveis de açúcares e ácidos orgânicos podem, de fato, ser altamente variáveis sem afetar o desenvolvimento e amadurecimento normal da fruta.

Ao longo da última década, muito esforço de pesquisa foi dedicado ao entendimento do comportamento metabólico de vários frutos carnosos, desde a fisiologia e bioquímica até amplas abordagens moleculares e genéticas.

Assim, nas seções a seguir apresentamos uma discussão detalhada sobre o comportamento dos ácidos orgânicos durante o desenvolvimento do fruto, bem como sua relação com outros metabólitos importantes, com atenção especial aos açúcares e hormônios.

Ácidos Orgânicos Versus Metabolismo do Açúcar

O processo de amadurecimento de frutos carnosos é caracterizado por mudanças coordenadas em que a bioquímica e a fisiologia dos frutos são drasticamente alteradas.

Essas mudanças durante o amadurecimento são tipicamente variáveis de acordo com as espécies e estágios de maturação, bem como em resposta a condições de estresse, muitas vezes devido a alterações no metabolismo secundário, aumentando potencialmente as defesas das plantas e as concentrações de compostos envolvidos na proteção das plantas.

No entanto, as principais modificações observadas durante o amadurecimento estão associadas a alterações de cor e textura, juntamente com modificações de açúcares, ácidos orgânicos e compostos voláteis.

Em conjunto, tais modificações contribuem para o sabor da fruta, principalmente por ajustar o equilíbrio entre açúcar e ácidos orgânicos.

Assim, os principais substratos respiratórios presentes na maioria das frutas são carboidratos e ácidos orgânicos e tanto sua natureza quanto sua concentração afetam amplamente a qualidade organoléptica como paladar, visão e olfato.

O acúmulo de açúcar tem sido intensamente investigado durante o desenvolvimento dos frutos em diferentes espécies sob diversas condições.

Ao longo do amadurecimento, a grande maioria dos frutos carnosos é caracterizada por aumentos nos teores de açúcar, enquanto os ácidos orgânicos diminuem.

Espécies cítricas são a exceção a essa regra metabólica, especialmente no pico de maturidade ou amadurecimento.

A análise global do transcriptoma sugeriu que durante os estágios intermediários e posteriores do desenvolvimento de frutas cítricas, tanto a síntese de carboidratos quanto o catabolismo são principalmente regulados para baixo, enquanto o transporte de açúcar parece ser bastante operativo.

Isso pode ser deduzido a partir da regulação positiva da sacarose fosfato sintase (SPS), que por sua vez está correlacionada com os sólidos solúveis totais (TSS) e da regulação ascendente da sintase citrato (CS).

Paralelamente ao crescimento dos frutos, acumulam-se açúcares e ácidos orgânicos, mas em diferentes estágios de desenvolvimento.

Glicose, frutose e sacarose aumentam exponencialmente durante a fase de divisão celular, atingindo níveis estáveis durante o processo final de crescimento e amadurecimento.

O teor de citrato, o principal ácido orgânico encontrado em frutas cítricas, aumenta na fase de divisão celular atingindo níveis mais elevados na metade da fase II e diminuindo, principalmente devido ao seu catabolismo, durante o amadurecimento.

Tanto os padrões metabólicos quanto a concentração são altamente variáveis de acordo com a espécie.

Nesse sentido, o acúmulo de sacarose, glicose e frutose durante o amadurecimento é observado especialmente em frutas doces, como maçãs; lichia, melão, pêssego, morango, manga, mamão e melancia.

Em geral, o acúmulo de açúcar nas frutas é controlado diretamente pelo aumento das atividades da sacarose sintase (Suzy) e SPS.

Sacarose, glicose e frutose são os carboidratos mais abundantes e componentes alimentares amplamente distribuídos presentes nas plantas.

Suas proporções variam consideravelmente entre os frutos e, em menor grau, no mesmo fruto de acordo com o estágio de maturação.

Notavelmente, a oxidação desses carboidratos via glicólise fornece substratos para o ciclo do TCA durante os processos respiratórios celulares, contribuindo não apenas para a geração de intermediários como os ácidos orgânicos, mas também contribuindo para o fornecimento de energia celular.

Notavelmente, durante a fase climatérica, há um grande aumento na taxa de oxidação do substrato, mediada principalmente por oxidases mitocondriais e, como resultado, há um aumento do fluxo glicolítico.

Curiosamente, esse fluxo aprimorado tem sido associado a uma estreita relação entre as atividades das principais enzimas glicolíticas, como piruvato quinase e fosfofrutoquinase em diferentes frutas, incluindo maçã, abacate, banana e tomate.

Da mesma forma que os açúcares, os ácidos orgânicos também são capazes de suportar várias facetas do metabolismo das plantas.

Assim, o acúmulo de ácidos orgânicos nas células vegetais está altamente correlacionado com outras vias metabólicas e parece estar sob o controle de muitos fatores.

Tanto o tipo de ácido orgânico quanto seus níveis são extremamente dependentes da espécie, dos estágios de desenvolvimento e do tecido analisado.

Embora as mudanças no conteúdo de ácidos orgânicos sejam fortemente dependentes da fruta, os ácidos orgânicos mais abundantes em várias frutas são o citrato e o malato, sendo ambos variáveis ao longo dos diferentes estágios de desenvolvimento da fruta.

Ao contrário dos carboidratos solúveis, que são importados para os frutos como fotossintatos, a maioria dos ácidos orgânicos presentes nos frutos carnosos não são importados, mas sim sintetizados in situ, principalmente a partir de açúcares importados da glicólise mediando a degradação do amido e da parede celular.

Isso está de acordo com os achados que mostram que o acúmulo de amido desempenha um papel importante na determinação do teor de sólidos solúveis (índice °Brix) de frutos maduros, que é diretamente influenciado pela atividade de invertases, como o tomate LIN5.

Portanto, os ácidos orgânicos aparecem como metabólitos altamente valiosos do ponto de vista da engenharia metabólica, uma vez que a relação ácido orgânico-açúcar define uma série de parâmetros de qualidade na época da colheita dos frutos.

Por meio de análises integrativas da metabolômica e do transcriptoma durante o amadurecimento de frutos de ponkan (Citrus reticulata), foi demonstrado que aumentos no teor de açúcares são acompanhados por reduções consideráveis no teor de ácidos orgânicos.

Talvez mais importante, foi demonstrado que tal comportamento pode ser impulsionado por SPS, asparagina transferases (AST), ATP-citrato liase e glutamato descarboxilase (GAD) mediando mudanças no metabolismo da sacarose da síntese para a degradação, que foi regulado pelo equilíbrio entre SPS e atividade SuSy.

Além disso, observou-se aumento da atividade enzimática da glicólise e do ciclo do TCA durante a maturação posterior, indicando que o fluxo está de alguma forma mudando do metabolismo da sacarose para o metabolismo do ácido orgânico, com a degradação do citrato ocorrendo principalmente através do ácido gama-aminobutírico (GABA) e acetil -Caminhos de CoA.

Foi demonstrado ainda que frutos ponkan sob tratamento com ar quente podem ativar a degradação do citrato via GABA shunt, especialmente pela modulação da cascata da aconitase, isocitrato desidrogenase e glutamato descarboxilase, mas não a via glicolítica.

Correlação positiva entre os níveis de malato e a expressão de genes envolvidos na síntese de amido tem sido observada em frutos de pimenta (Capsicum spp.), significando que o metabolismo do malato provavelmente regula o metabolismo transitório do amido e que esse processo provavelmente é conservado entre frutos climatéricos e não climatéricos.

De fato, a redução das atividades da malato desidrogenase mitocondrial (mMDH) ou da fumarase (FUM) em frutos de tomate por meio de abordagens antisense direcionadas demonstrou a importância fisiológica do metabolismo do malato no estado de ativação da ADP-glicose pirofosforilase (AGPase), que é correlacionada com o acúmulo de amido transitório e sólidos solúveis na colheita.

No entanto, devido à quantidade limitada de informações disponíveis sobre a conexão entre o metabolismo de outros ácidos orgânicos e a qualidade do fruto, não podemos descartar um papel semelhante para eles durante o desenvolvimento do fruto.

Para certas frutas, o citrato pode ser encontrado em concentrações consideráveis.

Está presente de 8 a 15% (base de peso seco) em frutas como morangos e limões (Citrus lemon).

Tanto no limão quanto na lima (Citrus aurantifolia), o acúmulo de citrato pode chegar a 8% do peso seco do fruto.

O processo envolvido no metabolismo e acúmulo de citrato nas células do mesocarpo de frutos está sob controle genético e ambiental.

Diversos estudos utilizando diferentes abordagens como transcriptômica, proteômica e metabolômica têm auxiliado no entendimento dos diferentes mecanismos envolvidos no controle da acidez e da qualidade dos frutos.

Além disso, diferentes práticas agrícolas, incluindo irrigação, nutrição e temperatura controlada, também podem afetar os níveis de metabólitos da fruta e, como tal, a relação entre doçura e acidez.

No entanto, não há explicações claras para as mudanças observadas tanto no malato quanto no citrato na célula.

Para entender melhor como o metabolismo do citrato é afetado em frutas Ponkan, plantas cultivadas em baixa temperatura e estresse hídrico em um experimento de campo aberto foram comparadas com plantas cultivadas em condições ideais de casa de vegetação.

Observou-se que os níveis de expressão de fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC), CS, ACO e GAD aumentaram em resposta à baixa temperatura, mas não em plantas estressadas em relação às condições de controle.

Esses resultados, juntamente com as mudanças nos níveis de citrato nessas condições, indicaram que a baixa temperatura pode ser um fator importante que influencia o metabolismo do citrato durante a maturação em frutos ponkan.

Da mesma forma, observou-se que em laranja doce (Citrus sinensis), uma fruta não climatérica, as atividades das enzimas envolvidas no metabolismo de ácidos orgânicos, incluindo enzima málica (ME), ICDH, ACO e álcool desidrogenase, aumentaram durante as primeiras 3 semanas de armazenamento pós-colheita.

Concomitantemente, também foi observada atividade aumentada de enzimas envolvidas no catabolismo de açúcares, como hexoquinase (HXK), Susy, UDPG pirofosforilase e fosfofrutoquinase dependente de PPi.

Notavelmente, essas enzimas são necessárias para o uso de ácidos orgânicos e a subsequente oxidação de açúcares em laranjas doces colhidas.

O abacaxi é caracterizado por altos teores de ácidos orgânicos, controlados principalmente pela atividade de enzimas-chave como CS, ACO, PEPC, MDH e ME.

Em particular, o ACO parece desempenhar um papel importante na modificação da acidez do abacaxi.

Ao todo, parece razoável supor que uma conexão muito estreita entre o metabolismo do açúcar e do ácido orgânico ocorra durante o desenvolvimento do fruto.

No entanto, exatamente como essa regulação metabólica ocorre ainda precisa ser elucidada.

Estudos com mamão (Carica papaya), fruto típico do climatério, revelaram que o acúmulo de açúcar, principalmente sacarose, ocorre entre 20 e 30 dias antes da maturação fisiológica.

Durante esta fase, há um aumento significativo da atividade da invertase ácida (AI) com menores atividades SPS e Susy no mesocarpo do mamoeiro.

Também foi demonstrado que após a colheita ainda houve síntese de sacarose, e mais importante que a atividade SPS está altamente correlacionada com o teor de sacarose, indicando a importância desta enzima durante o amadurecimento do mamão.

Embora no mamão os principais ácidos orgânicos sejam citrato, malato e ascorbato, seu acúmulo ocorre em concentrações relativamente baixas.

Particularmente, os teores de citrato e malato são reduzidos ao longo do amadurecimento.

A análise do teor de açúcares e ácidos orgânicos durante o desenvolvimento dos frutos de pêssego (Prunus persica) mostrou que as concentrações de malato, quinato e chiquimato foram altas no início, mas diminuíram no final do desenvolvimento do fruto.

Assim, a concentração de citrato foi máxima em frutos imaturos, enquanto o aumento da concentração de açúcares, principalmente sacarose, ocorreu em frutos maduros.

Curiosamente, durante o amadurecimento do pêssego, a degradação da sacarose foi acompanhada por um aumento dos níveis de glicose e frutose, juntamente com a regulação distinta de transcritos que codificam invertases neutras (NI), indicando funções diferenciais ou não redundantes de cada isoforma putativa de NI em pêssego.

Enzimas como NI e PEPC foram identificadas como componentes importantes do metabolismo do carbono operando durante o amadurecimento pós-colheita do pêssego.

O malato é o ácido orgânico predominante em muitas frutas, incluindo frutas climatéricas e não climatéricas, como ameixa (Prunus salicina), banana, tomate, uva e maçã.

O citrato é o ácido orgânico predominante em frutas cítricas como laranja, lima e limão.

Notavelmente, o citrato também é encontrado como o principal ácido orgânico em uva, goiaba, mamão, abacaxi e morango.

No entanto, o acúmulo e a degradação de ácidos orgânicos não estão diretamente associados às características respiratórias e climatéricas do fruto.

Assim, sabe-se que algumas frutas climatéricas, como o tomate, parecem utilizar malato durante a explosão respiratória.

Por outro lado, banana e manga (Mangifera indica) continuam a acumular malato ao longo do amadurecimento, mesmo no estágio climatérico, enquanto frutas não climatéricas também apresentam acúmulo e degradação de malato amplamente variados.

Além disso, o acúmulo de malato e citrato é aparentemente resultado da estreita interação entre metabolismo e armazenamento vacuolar e também é controlado por diversos fatores ambientais que afetam a acidez do fruto carnoso, atuando em vários mecanismos celulares.

Em conjunto, a estreita relação entre o metabolismo de ácidos orgânicos e açúcares durante o amadurecimento parece ser um fator amplamente relacionado que contribui em todos os sentidos para a melhoria da qualidade e sabor durante o amadurecimento dos frutos.

Por esta razão, parece claro que um conhecimento mais aprofundado da avaliação do teor de açúcares e ácidos orgânicos e o uso de ferramentas genéticas e agrícolas capazes de alterar essa relação é de interesse central para especialistas e pesquisadores de alimentos.

Coletivamente, esses resultados indicam que alterações em genes envolvidos no metabolismo de ácidos orgânicos podem determinar a qualidade e extensão da vida de prateleira de frutos não climatéricos, que têm suas alterações fisiológicas reduzidas após serem desprendidos da planta.

Ácidos Orgânicos Versus Controle Hormonal do Desenvolvimento e Amadurecimento dos Frutos

Embora os hormônios tenham sido amplamente estudados como moléculas sinalizadoras envolvidas em diferentes aspectos do ciclo de vida das plantas, só recentemente as pesquisas têm se concentrado na compreensão de sua ação durante o desenvolvimento dos frutos, bem como no controle do metabolismo de açúcares e ácidos orgânicos nos frutos durante o amadurecimento processo.

Assim, foi demonstrado que os hormônios afetam o metabolismo dos açúcares e do amido e podem prolongar a vida pós-colheita.

No entanto, há uma literatura escassa disponível sobre o controle hormonal da hidrólise do amido e o acúmulo de açúcar resultante juntamente com a respiração mitocondrial.

Este fato à parte, tanto a maturação quanto o amadurecimento têm sido associados em diversos estudos a alterações metabólicas envolvidas em múltiplas vias genéticas e bioquímicas.

Embora essas mudanças tenham sido observadas no contexto das respostas aos hormônios (por exemplo, etileno e ABA), a ligação entre o controle hormonal e o acúmulo de metabólitos permanece bastante limitada.

O advento das abordagens ômicas possibilitou um progresso significativo na caracterização das respostas hormonais em frutas em geral.

Além disso, um aspecto importante do desenvolvimento do fruto é a modulação do seu metabolismo, principalmente impulsionado por alterações nos açúcares, ácidos orgânicos e metabólitos secundários imediatamente após a frutificação e recuperação parcial durante ou após o amadurecimento.

Segundo, em frutas climatéricas como tomate, mamão, pêssego, banana, maçã, melão e outras, a síntese de etileno desempenha um papel predominante durante o amadurecimento, e este ainda permanece como um dos hormônios mais estudados.

Por outro lado, em frutos não climatéricos a explosão respiratória e o aumento da produção de etileno não são evidentes.

É amplamente aceito que, embora nenhum controlador mestre seja capaz de controlar o amadurecimento em frutos não climatéricos.

Níveis aumentados de diferentes hormônios como etileno, ácido abscísico (ABA) e brassinosteróides (BRs) têm sido sugeridos para promover o amadurecimento por meio de interações complexas, enquanto a auxina retarda algum processo associado ao amadurecimento nesses frutos.

Assim, discutiremos agora brevemente como as mudanças nos principais hormônios envolvidos no processo de formação e amadurecimento dos frutos impactam o metabolismo dos ácidos orgânicos, controlando a composição dos frutos via crosstalk com outros hormônios ou por si mesmos.

Demonstrou-se que o etileno controla muitas vias metabólicas associadas ao amadurecimento.

Está envolvido não apenas na expressão de genes associados à senescência e sinalização de defesa, mas também no amadurecimento de frutos, onde a produção autocatalítica de etileno leva a alterações no metabolismo da parede celular, acúmulo de carotenóides, degradação da clorofila, síntese de compostos voláteis e modulação de açúcares. e teores de ácidos.

A importância do etileno na produção de voláteis de aroma também foi demonstrada geneticamente pela supressão antisense da produção de etileno, que resultou em forte inibição do aroma em frutos de melão (Cucumis melo L.).

O amadurecimento do fruto climatérico do pêssego é amplamente controlado pelo etileno e, assim, o aumento da produção de etileno leva a uma respiração aprimorada juntamente com mudanças tanto na composição química quanto nas características físicas do fruto.

Além disso, a biossíntese aumentada de etileno é acompanhada por níveis aumentados de citrato, malato e glicose e frutose, mas níveis diminuídos de sorbitol e sacarose após a colheita.

Também foi demonstrado que o etileno está envolvido de maneira órgão-específica no amadurecimento do morango, controlando diferencialmente os níveis de aminoácidos, glicose e frutose, bem como citrato e malato no aquênio e no receptáculo.

Plantas de morango com sensibilidade alterada ao etileno foram usadas para desvendar seu papel durante o processo de amadurecimento dos frutos, bem como para melhorar ainda mais nossa compreensão da modulação das vias metabólicas.

Da mesma forma, foi demonstrado que na uva, uma fruta não climatérica, o etileno também parece ser necessário para o desenvolvimento e amadurecimento da baga.

De fato, foi sugerido que o etileno poderia estar desencadeando o início do amadurecimento.

De fato, o fator responsivo ao etileno (VviERF045) da uva afeta uma série de diferentes processos, incluindo capacidade fotossintética, metabolismo secundário, expressão de genes-chave relacionados a alterações na epiderme e cutícula da baga, expansão celular, bem como ativação de várias defesas genes relacionados.

Exemplos recentes de cross-talk entre diferentes hormônios revelaram uma interação altamente complexa de sinais durante o desenvolvimento e amadurecimento da uva.

Assim, em frutos não climatéricos as respostas do etileno parecem estar associadas, via cross-talk altamente específico, com outros hormônios como ABA, auxina e BRs, todos conhecidos por desempenharem um papel funcional no amadurecimento da uva.

Frutos não climatéricos também podem apresentar comportamento semelhante ao climatério após a colheita.

Da mesma forma, a expressão diferencial do componente da via de sinalização do etileno também foi observada em várias frutas não climatéricas, incluindo cítricos e uvas.

A participação do etileno no amadurecimento tem sido extensivamente investigada em frutos de tomate utilizando diversos mutantes que afetam drasticamente os processos de amadurecimento dos frutos de tomate.

Por exemplo, inibidor de amadurecimento (rin), não amadurecido (nor), verde maduro (Gr), verde-carne (gf), incolor não amadurecido (Cnr), nunca maduro (Nr), alto pigmento 1 (hp1), alto pigmento 2 (hp2) e verde escuro (dg) foram investigados no contexto do amadurecimento.

Embora o uso de tais mutantes tenha claramente fornecido insights significativos sobre os respectivos papéis funcionais e também a regulação hierárquica baseada em cada gene, a compreensão completa da rede reguladora de amadurecimento permanece bastante fragmentada.

No entanto, analisando três mutantes dominantes de amadurecimento de tomate, nor, rin e Nr, ao longo dos períodos de desenvolvimento e amadurecimento, foi possível identificar correlações muito fortes entre transcritos associados ao amadurecimento e grupos de metabólitos específicos, como ácidos orgânicos do ciclo TCA , açúcares e metabólitos relacionados à parede celular, como lipoxigenase, pectato liase e poligalacturonase (PG), ressaltando a importância dessas vias metabólicas durante o amadurecimento dos frutos.

Os ácidos orgânicos, incluindo os dois intermediários do ciclo do TCA, malato e citrato, foram fortemente afetados ao longo do amadurecimento, sugerindo que os ácidos orgânicos são regulados no nível transcricional em frutas climatéricas.

É importante ressaltar que o malato desempenha um papel crucial no metabolismo transitório do amido no desenvolvimento e amadurecimento normal dos frutos de tomate e parece que sua regulação também é conservada em frutos não climatéricos.

Além disso, em frutos de morango, os ácidos orgânicos, incluindo succinato, fumarato e 2-oxoglutarato, apresentaram mudanças substanciais durante o amadurecimento, associadas a uma grande demanda por componentes do esqueleto de carbono.

Em frutos de pimenta, citrato, dehidroascorbato e malato estão altamente correlacionados a genes associados às vias de amido e parede celular, bem como à degradação de proteínas, sugerindo a importância desses ácidos orgânicos durante o desenvolvimento e amadurecimento de frutos de pimenta.

Em conjunto, esses resultados fundamentam o significado central das vias metabólicas associadas a açúcares e ácidos orgânicos, revelando também múltiplos eventos associados ao etileno que ocorrem durante o amadurecimento de frutas climatéricas e não climatéricas.

É importante mencionar que o etileno não age regulando o amadurecimento sozinho, mas provavelmente funciona em conjunto com outros fitohormônios como auxina, ABA e citocinina.

Estudos futuros devem, portanto, explorar a rede de sinalização hormonal, combinando o conhecimento baseado em plantas modelo sobre os mecanismos moleculares envolvidos na sinalização hormonal e a associação com informações genômicas disponíveis de outras espécies de plantas.

Na fruta da maçã, o principal ácido orgânico é o malat.

Com o uso do 1-metilciclopropeno (1-MCP) (inibidor da percepção do etileno) recentemente foi demonstrado que o etileno está envolvido na regulação dos níveis de ácido orgânico, uma vez que este composto retarda a redução do teor de malato e citrato durante o amadurecimento.

Em frutos com menor necessidade de etileno para amadurecimento, o ABA parece ter um papel crucial devido ao seu aumento após o processo de amadurecimento.

Em morango, um modelo de fruto não climatérico, o efeito do ABA foi investigado demonstrando que o ABA endógeno pode desempenhar um papel nas mudanças de cor do fruto durante o amadurecimento através de uma regulação positiva da produção de etileno e da atividade da fenilalanina amônia-liase (PAL). .

Em boa concordância, evidências convincentes sugerem que o ABA exógeno pode acelerar significativamente o amadurecimento do morango, provavelmente pela regulação negativa do gene 9-cis-epoxicarotenoide dioxigenase (FaNCED1), como demonstrado pelo silenciamento gênico induzido por vírus (VIGS), levando à diminuição do conteúdo de ABA que pode retardar significativamente o amadurecimento.

O FaNCED1 é um contribuinte predominante para o acúmulo de ABA durante o amadurecimento dos frutos e também foi evidenciado que os açúcares solúveis, principalmente a sacarose, podem atuar como promotores para desencadear o acúmulo de ABA.

A interação entre açúcar e ABA foi recentemente revisada por, sugerindo um mecanismo central envolvido na regulação do amadurecimento de frutos não climatéricos.

Notável, a expressão reduzida de NCED em morango resultou em maturação tardia do fruto com alterações em vários metabólitos, como ácidos orgânicos e açúcares, implicando ABA no controle da qualidade do fruto.

Em frutas climatéricas, como tomate e banana, os níveis de ABA aumentaram antes do aumento de etileno.

Notavelmente, a sinalização do ABA também pode afetar diferentes aspectos da maturação dos frutos.

O tratamento exógeno de ABA, consequentemente, aumenta o teor de ABA em frutos carnosos e sementes, desencadeando a biossíntese de etileno pela regulação positiva da expressão de ACS e ACO e, portanto, induzindo o amadurecimento dos frutos.

Também foi sugerido que LeNCED1, que inicia a biossíntese de ABA no início do amadurecimento dos frutos, pode ser o indutor original do acúmulo de ABA e pode desempenhar um papel fundamental não apenas no processo de amadurecimento, mas também durante a senescência dos frutos de tomate.

A supressão do gene que codifica NCED1 resultou em uma regulação negativa de vários outros genes envolvidos no processo de amadurecimento, incluindo o PG relacionado à parede celular e a pectinametilesterase (PME), que também podem contribuir para alterações nos intermediários do ciclo do TCA.

Embora esses estudos tenham fornecido evidências coletivas de que o ABA está envolvido na maturação dos frutos, ainda não está claro se o ABA atua diretamente ou alterando os níveis de etileno, dado o cross-talk já bem estabelecido entre esses hormônios.

A superexpressão de elementos responsivos a ABA SlAREB1 em tomate, resultou em aumento do teor de ácidos orgânicos (por exemplo, citrato e malato), hexoses, hexose-fosfatos e aminoácidos em frutas verdes imaturas, verdes maduras e frutas vermelhas maduras.

Essas modificações correlacionaram-se com uma regulação positiva de genes que codificam enzimas envolvidas no metabolismo de carboidratos e aminoácidos, sugerindo um possível papel deste fator de transcrição na regulação das propriedades organolépticas de frutas.

Se a modificação da expressão de outras enzimas do ciclo do TCA envolvidas na síntese de ácidos orgânicos e aminoácidos são afetadas por SlAREB1 continua a ser determinado.

Em frutos de tomate, os ácidos orgânicos são um determinante crucial da qualidade durante o processo de amadurecimento e sabor, e se correlacionam com a expressão de genes associados ao etileno e às vias relacionadas ao metabolismo da parede celular.

Mais estudos são claramente necessários para elucidar o mecanismo real que liga o ABA e o amadurecimento dos frutos, bem como as alterações dos metabólitos e a qualidade dos frutos.

Atualmente é aceito que a auxina participa de vários processos que vão desde a formação do fruto até o amadurecimento, principalmente por meio de um crosstalk entre giberelinas e etileno.

De fato, a auxina coordena a síntese de etileno consequentemente o processo de amadurecimento.

Assim, genes relacionados ao metabolismo de carotenóides, degradação celular e metabolismo energético foram fortemente regulados pela auxina exógena, impactando ainda mais o amadurecimento do tomate.

Recentemente, a análise de RNA-Seq de frutos de tomate após aplicação de auxina exógena mostrou que vários genes envolvidos no ciclo do TCA e na via de fosforilação oxidativa foram significativamente regulados negativamente, indicando que a auxina afeta o amadurecimento dos frutos, impactando principalmente a taxa de respiração dos frutos.

Além disso, os frutos tratados com auxina foram caracterizados por níveis aumentados de citrato, succinato e malato, o que indica que a aplicação de auxina parece aumentar a acidez do fruto.

Além disso, a auxina exógena alterou os padrões de expressão de genes relacionados à sinalização de etileno e auxina durante o amadurecimento, sugerindo um crosstalk significativo entre esses dois hormônios durante o amadurecimento do tomate.

Recentemente, um importante papel da auxina durante o amadurecimento como modulador dos níveis de açúcar e ácidos orgânicos foi demonstrado em frutos de tomate.

Estudos recentes também demonstraram que a perda ou ganho de função de vários genes de resposta à auxina, como SlARF4, SlARF2a, SlIAA17 e SlIAA27, leva a mudanças conspícuas no acúmulo de pigmentos de frutas, teor de açúcar, acúmulo de amido, componente de fenilpropanóides, teor de ácidos orgânicos e outros atributos de qualidade dos frutos.

Usando uma abordagem de análise do transcriptoma, sugeriram que a auxina exógena retarda o processo de amadurecimento do tomate e interfere nos padrões de expressão normal de muitos genes envolvidos nas vias metabólicas.

Mais recentemente, analisaram as alterações metabólicas após auxina exógena mostrando que além de metabólitos como açúcares e aminoácidos, um total de nove ácidos orgânicos foram detectados em frutos de tomate em diferentes estágios de desenvolvimento.

Resumidamente, maiores teores de succinato e ascorbato quando comparados com amostras de controle foram observados 10 dias após o tratamento com auxina.

Notavelmente, a auxina parece afetar os níveis de citrato mantendo-os mais elevados do que nos frutos controle no final do amadurecimento, indicando que a aplicação de auxina pode aumentar a acidez da fruta, afetando o sabor azedo da fruta.

Nas últimas décadas tem-se assistido à caracterização de inúmeros mutantes para síntese ou sinalização de diversos hormônios em diferentes espécies modelo como Arabidopsis, tomate e arroz.

Este recurso, juntamente com a integração de abordagens transcriptômicas e metabolômicas, melhorou muito nossa compreensão dos eventos moleculares e bioquímicos associados ao amadurecimento em frutas climatéricas e não climatéricas.

No entanto, apesar de nossa compreensão atual de como o metabolismo de ácidos orgânicos está associado ao metabolismo de hormônios, os mecanismos exatos subjacentes à sua interação durante o amadurecimento dos frutos claramente requerem maior elucidação.

O papel do AG está bem estabelecido durante a frutificação e desenvolvimento do fruto, controlando a expansão celular e tem sido revisitado recentemente.

No entanto, há evidências de que o AG pode retardar o amadurecimento do fruto do tomate, impedindo algumas das alterações desencadeadas pelo etileno.

Infelizmente, relativamente pouco trabalho está disponível conectando diretamente giberelinas e alterações metabólicas em frutas.

No entanto, alguns avanços foram observados nesse tema.

Assim, os impactos dos GAs no metabolismo primário também foram previamente demonstrados em plantas de tomate com níveis reduzidos da enzima do ciclo TCA 2-OGDH.

Na mesma linha, observou-se que o ácido giberélico (GA3) causa atraso no amadurecimento de frutas cítricas e manga, reduzindo o teor de ascorbato.

No morango, o GA3 apresentou efeito inibitório no amadurecimento dos frutos, evidenciado pela diminuição da atividade respiratória.

Os GAs parecem afetar o metabolismo primário mediado por alterações no 2-oxoglutarato, ligando assim a função do ciclo do TCA com a biossíntese de aminoácidos, glucosinolatos, flavonóides, alcalóides e giberelina.

Definir a natureza precisa da interação entre ácidos orgânicos juntamente com a regulação de frutas mediada por GA claramente continua sendo um tópico empolgante para pesquisas futuras.

Devido à multifuncionalidade dos BRs, mais atenção tem sido dada à sua associação com o amadurecimento dos frutos recentemente.

BRs desempenha um papel regulador importante em vários processos fisiológicos, incluindo crescimento, germinação de sementes, floração, mudanças nas atividades enzimáticas e frutificação e tem sido recentemente associado ao amadurecimento de frutos.

Análogos exógenos de BRs na endívia (Cichorium endivia L.) desempenham um papel importante no aumento dos teores de ácidos orgânicos como citrato, oxaloacetato e succinato mostraram a interconexão entre BRs e etileno na regulação da cadeia mitocondrial de transporte de elétrons na pós-colheita de frutos de mamão.

Os autores mostraram que a aplicação de BRs exógenos afeta o transporte de elétrons dependente de AOX, que é antagonizado pelo etileno, sugerindo que BRs e etileno atuam antagonicamente regulando a capacidade de AOX durante o amadurecimento do mamão.

O papel da aplicação de BR também tem sido investigado em morango, sugerindo-o como uma importante molécula para melhorar características de qualidades, principalmente por aumentar os teores de sólidos solúveis, induzir teores de açúcares e ácidos orgânicos, bem como a produção de metabólitos secundários como antocianinas e fenólicos. compostos.

O papel dos BRs durante o amadurecimento de frutas também tem sido investigado em várias frutas, como tomate, uva, mamão, morango e manga.

Notavelmente, está diretamente relacionado com uma extensa diafonia com os níveis de etileno, afetando inúmeros processos.

No entanto, relativamente poucos estudos demonstraram claramente os impactos desse fitohormônio no metabolismo primário e especificamente nos ácidos orgânicos, embora seja possível observar que seu conteúdo geralmente aumenta na presença de BRs exógenos, o que pode ser um caminho interessante para pesquisas.

As poliaminas (PAs), outro grupo de moléculas sinalizadoras, têm sido extensivamente estudadas nos últimos anos.

PAs são pequenas aminas alifáticas com um papel importante no processo de crescimento das plantas, incluindo o amadurecimento dos frutos e nas plantas, os PAs são inicialmente convertidos de glutamato, um aminoácido chave envolvido na assimilação de N, em putrescina (Put), depois convertido em espermidina (Spd) e, por fim, em espermina (Spm) pela ação da Spd sintase. SPDS) e Spm sintase (SPMS) sendo ainda descarboxilada a S-adenosil-L-metionina (dcSAM) gerando SAM como um produto de reação que é catalisado por SAM descarboxilase (SAMDC).

SAM é um precursor comum para a biossíntese de PA e etileno, mas suas funções fisiológicas são distintas às vezes e podem ser antagonistas principalmente durante a senescência.

Assim, mostraram que o silenciamento do gene 1-aminopropano-1-carboxilato sintase (SlACS) retarda o amadurecimento, melhorando simultaneamente a qualidade do fruto em tomate e aumentando os níveis de PAs associados à regulação negativa das hidrólises da parede celular.

Notavelmente, ainda em frutos de tomate, os PAs têm sido identificados como um grande contribuinte do amadurecimento dos frutos principalmente associado à atividade tanto da ornitina descarboxilase (ODC) quanto da arginina descarboxilase (ADC).

Nesse sentido, demonstrou que a superexpressão de ODC desencadeia a biossíntese de Put, Spd e SPM que, por sua vez, inibe a produção de etileno retardando o amadurecimento dos frutos, mas melhora as características de qualidade dos frutos do tomate.

Além disso, a superexpressão de SPDS no tomate promove o amadurecimento dos frutos, aumentando o teor de açúcares, assim como o licopeno aliado à produção de etileno.

Nos frutos de uva, os PAs também têm um papel importante no desenvolvimento do aroma, enquanto no pêssego desempenha um papel fundamental na firmeza do fruto e teor de açúcar solúvel seguido de uma diminuição abrupta do Put durante a pós-colheita.

A aplicação de Spr exógeno em frutos de pêssego reduziu o amadurecimento por afetar o metabolismo e a sinalização de etileno e auxina.

Notavelmente, as poliaminas são relatadas como moléculas importantes envolvidas no amadurecimento do morango.

Recentemente, demonstraram que os PAs, especialmente a espermina (Spm), regulam o amadurecimento do morango de maneira dominada por ABA, participando de IAA e coordenada por etileno, controlando vários parâmetros fisiológicos, incluindo firmeza, e o conteúdo de antocianina, açúcar, poliamina, auxina. IAA), ácido abscísico (ABA), bem como a emissão de etileno.

Notavelmente, essas mudanças estão acopladas a alterações na expressão de FaSAMDC que podem promover e inibir o amadurecimento.

Os PAs também desempenham funções importantes em vários outros frutos de forma que podem gerar conclusões controversas, portanto, é importante mencionar que mais estudos são necessários para entender melhor o significado e os papéis dos PAs no desenvolvimento de frutos secos e carnosos.

Por último, mas não menos importante, poucos estudos demonstraram a associação entre o ácido salicílico (SA) e a manutenção da qualidade dos frutos durante a pós-colheita.

A cereja doce tratada com SA exógeno revelou-se uma ferramenta eficaz e amiga do ambiente para manter a qualidade da fruta durante o armazenamento, associada à manutenção do teor de açúcares e ácidos orgânicos na fruta, bem como à melhoria da concentração de compostos bioativos e da atividade antioxidante .

Curiosamente, o SA também culminou com atrasos no processo de amadurecimento de banana, cereja doce e kiwi.

Em todos os resultados citados acima, o SA parece atuar inibindo o amadurecimento dos frutos, principalmente reduzindo não apenas a frequência respiratória, mas também o teor de açúcar e ácido total.

Parece razoável supor que acoplar a aplicação de tais hormônios ou compostos químicos com análises moleculares e metabólicas para fornecer informações sobre o papel dos hormônios na regulação do sabor da fruta deve facilitar muito os avanços na compreensão do controle metabólico mediado por hormônios em frutas.

Futuros caminhos para revelar o papel do metabolismo de ácidos orgânicos durante o desenvolvimento e amadurecimento dos frutos

Embora as mudanças nos níveis de ácidos orgânicos sejam inequivocamente importantes durante o amadurecimento dos frutos, parece necessário estudar a fisiologia pós-colheita em ambientes mais realistas, o que significa criar vínculos com empresas envolvidas no armazenamento e transporte de frutos e quebrar as variáveis que afetam o ácido orgânico conteúdo e outras características importantes.

O entendimento do metabolismo primário em frutos está diretamente ligado à qualidade dos frutos e parece ser um alvo óbvio para melhorias futuras, entretanto, o complicador nesta abordagem é que o metabolismo é muito dinâmico ao longo do desenvolvimento dos frutos e as mudanças são consideráveis ao longo do fruto. crescimento até o amadurecimento com muitos processos de sinalização.

No entanto, ferramentas emergentes podem hoje oferecer a oportunidade de transformar essas informações em uma compreensão mecanicista da qualidade dos frutos e, finalmente, projetar melhores frutos nos quais estudar o metabolismo primário juntamente com ferramentas de modelagem pode provar novas informações em um entendimento mecanicista para desenvolver principalmente frutos melhores.

Além disso, a atenção voltou-se para as abordagens da biologia sintética, principalmente pela engenharia multigênica para intervenções multigênicas, conforme revisto recentemente em outros lugares.

Paralelamente, a adoção da biologia sintética pode fornecer diretamente conexões mais eficazes que contornariam problemas associados à regulação por feedback das enzimas nativas das plantas e as interações entre o ciclo do TCA e muitos outros processos na planta poderiam ser expandidas ainda mais, conforme a demonstração anterior de sinalização função.

Tecnologias de engenharia genética, como CRISPR/Cas9, podem ser usadas para editar especificamente a sequência ou alterar as taxas de transcrição de genes específicos. Abordagens multiplex, visando vários genes simultaneamente, são ideais para entender melhor as redes genéticas e suas interações.

A adequação desta abordagem foi recentemente demonstrada em espécies de frutas carnudas, como tomate e kiwi.

O ritmo acelerado de avanço e aprimoramento das técnicas de engenharia genômica, como a recente introdução de endonucleases aprimoradas ou mesmo edição de base de nucleotídeo único sem clivagem de DNA, sugerem que ferramentas de manipulação de genoma altamente eficientes em breve estarão disponíveis para dissecar a complexa rede genética envolvida em frutas. controle de maturação.

Finalmente, para aumentar nossa compreensão da qualidade e como compostos específicos podem ser alterados para melhorar a relação entre acidez e açúcar em frutas carnudas, parece que é necessário acoplar abordagens integrativas (ômicas) com biologia de sistemas.

Isso permitiria a geração de plantas, ou melhores frutos, mais adaptadas às condições de estresse.

É importante ressaltar que é uma opinião geral que uma fruta é um reflexo das condições às quais a planta foi exposta durante seu desenvolvimento.

Em resumo, para aumentar nosso conhecimento sobre o metabolismo durante o desenvolvimento do fruto e a importância central que o metabolismo do ácido orgânico desempenha nele, mais pesquisas são claramente necessárias.

Considerando a importância do perfil de aminoácidos durante o amadurecimento dos frutos, como o glutamato, o principal aminoácido dos frutos maduros, o uso de tais ferramentas pode facilitar a investigação e simultaneamente aumentar a qualidade ou mesmo prolongar a vida de prateleira dos frutos, principalmente com maior taxa reparatória e redução pós-colheita tempo.

Desvendar as conexões do metabolismo do ácido orgânico com os hormônios pode nos ajudar a entender a real contribuição de cada hormônio no metabolismo central.

Além disso, a bioengenharia racional de plantas com níveis modificados de ácidos orgânicos também se beneficiaria de um maior conhecimento das regulações e conexões bioquímicas inerentes ao metabolismo dos ácidos orgânicos.

O desenvolvimento de plantas com composição alterada de ácidos orgânicos em frutos também deve levar em consideração que esta via está intimamente ligada a vários outros aspectos do metabolismo vegetal.

Como tal, as mudanças no metabolismo dos ácidos orgânicos nas frutas podem nem sempre ser benéficas, especialmente para plantas que crescem em condições ambientais sub-ótimas.

Diferentes linhas de evidência apontaram que mudanças no teor de ácidos orgânicos podem melhorar muito as características organolépticas dos frutos.

É importante mencionar, no entanto, que a maioria desses avanços foi feita em organismos modelo, bem como em algumas plantas de relevância agrícola.

Transferir com sucesso esses avanços para as principais culturas alimentares, que geralmente são mais recalcitrantes à manipulação genética, ainda é um grande desafio.

Para aumentar ainda mais nossa compreensão sobre como os ácidos orgânicos afetam o metabolismo dos frutos, sugerimos duas abordagens complementares: (a) é possível que o uso de Linhas de introgressão (LIs), como as desenvolvidas em tomate, nos permita identificar fenótipos com alterações na níveis de intermediários do ciclo do TCA para analisar a relação entre processo de desenvolvimento e metabolismo primário; e (b) modificar geneticamente inibições específicas de frutas dentro de enzimas do ciclo TCA e/ou metabolismo/transporte de ácidos orgânicos para analisar melhor o comportamento metabólico conectando-o com o desenvolvimento e amadurecimento da fruta.

Embora ambas as abordagens já tenham sido usadas com sucesso, parece claro que também abrem a oportunidade de acelerar muito o melhoramento de culturas que claramente carecem da atenção que merecem.

A adaptação da fenotipagem de alto rendimento ao lado de metodologias de perfil de fluxo mais sensíveis provavelmente nos permitirá buscar novos caminhos de pesquisa para aumentar nossa compreensão das redes complexas que governam a função do ácido orgânico e o metabolismo hormonal em geral durante o amadurecimento de frutas.

Conclusão e Perspectivas Futuras.

Embora o resumo apresentado aqui forneça um andaime para entender as conexões entre o ácido orgânico e o metabolismo hormonal no desenvolvimento da fruta, postulamos que é de fundamental importância que esses estudos emergentes sejam expandidos.

Conhecimentos mais fundamentais ainda são necessários para identificar novas estratégias de manipulação que melhorem a qualidade dos frutos e, consequentemente, o metabolismo dos frutos.

Parece razoável antecipar que abordagens como genômica, transcriptoma, proteômica e metabolômica aliadas à edição do genoma podem se apresentar como um importante gerador de dados que permitiriam a produção de um mapa mecanicista de frutos em geral e sua associação com fitohormônios e alterações no desenvolvimento de frutos.

Quais as principais mudanças na composicao química dos frutos durante a maturação?

Quais as principais mudanças que ocorrem com o amadurecimento dos frutos?

O que ocorre com a maturação de frutos?

Como o amadurecimento dos frutos pode ser relacionado com as reações químicas?