Βιοχημική και φυσιολογική διερεύνηση της επίδρασης εξωγενών κυτοκινινών στις διεργασίες ανάπτυξης και ωρίμανσης καρπών ακτινιδιάς

Abstract

Plant growth regulators influence several plant processes including fruit growth. N-(2-chloro-4-pyridyl)-N’-phenylurea (CPPU) is one synthetic cytokinin, which is widely used in kiwifruit vines (Actinidia deliciosa cv. ‘Hayward’) in order to increase fruit size. However, its mode of action remains obscure. In the current thesis the role of CPPU in physiological and metabolic behavior of kiwifruits was studied. In addition the impact of different pollination conditions of kiwi vines on CPPU activity and residue dynamics was evaluated. Initially, field trials were conducted in a kiwifruit experimental orchard with different pollination conditions: (i) natural pollination, (ii) assisted pollination (Bombus spp. Blister) and (iii) pollinators’ absence. In all treatments, the dissipation rate of CPPU was rapid and half life values did not exceed 6 days. CPPU treatment increased the weight and the size only of pollinated fruits compared to untreated pollinated ones. Absence of pollinators resulted in softer fruits with lower seed number and Ca2+ content, while in combination with CPPU application resulted in misshapen fruits. In contrast, phenolic content was higher in unpollinated kiwifruits irrespective of CPPU treatment and antioxidant capacity was significantly lower only on untreated with CPPU fruits under assisted pollination. In a companion field experiment, the impact of CPPU on physiological and metabolic processes of kiwifruits was studied during fruit development and post-harvest ripening period. This experiment was conducted in a kiwifruit orchard under natural pollination conditions. The results showed that CPPU stimulated kiwifruit growth through the enlargement of small pericarp cells. Proteomic analysis of the flesh tissue indicated that the CPPU-response proteins are mainly related to defence. Metabolite profiling showed that during development CPPU altered the abundance of metabolites, which are involved mainly in sugar homeostasis, cell wall modifications, tricarboxylic acid cycle (TCA) and myo-inositol pathway. Upon post-harvest ripening at 20 oC following 2 months of cold storage, CPPU influenced the climacteric ripening behaviour. In particular, CPPU suppressed ethylene production, delayed sugar accumulation and retained columella firmness, indicating that CPPU delayed ripening in a specific tissue-dependent manner. The abundance of columella proteins that are mainly related to defence and metabolism was altered by CPPU. Among the CPPU-responsive metabolites, concentration of members of sugars and organic acids groups were mainly changed supporting the observation that CPPU delayed kiwifruit climacteric ripening. Overall, the current study provides a baseline of information for understanding the metabolic processes that are regulated by exogenous cytokinins during fruit development and ripening.

Οι ρυθμιστές ανάπτυξης των φυτών επηρεάζουν ποικίλες διεργασίες τους, συμπεριλαμβανομένης και της ανάπτυξης των καρπών. Η συνθετική κυτοκινίνη N-(2-χλωρο-4-πυριδινυλο)-Ν΄-φαινυλουρία (CPPU) προάγει την ανάπτυξη των καρπών, αλλά ο μηχανισμός δράσης της δεν έχει πλήρως αποσαφηνιστεί. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν οι μεταβολές που προκαλεί σε χαρακτηριστικά των καρπών ακτινιδιάς (Actinidia deliciosa cv. ‘Hayward’). Συγκεκριμένα μελετήθηκαν: i) η επίδραση των συνθηκών επικονίασης στην εκδήλωση δράσης του CPPU, καθώς και στην πορεία αποδόμησής του στους καρπούς, και ii) η επίδραση του συγκεκριμένου μορίου στη φυσιολογία και στο μεταβολισμό των καρπών κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και της ωρίμανσής τους σε συνθήκες ικανοποιητικής επικονίασης. Αρχικά εγκαταστάθηκε πείραμα αγρού με συνθήκες επικονίασης: (α) φυσικές, (β) ενισχυμένης-βομβίνοι και (γ) απουσίας εντόμων επικονιαστών. Η πορεία αποδόμησης του CPPU στους καρπούς ακτινιδιάς ήταν ταχεία για όλες τις μεταχειρίσεις, με χρόνο ημιζωής μικρότερο από έξι ημέρες. Η μεταχείριση των καρπών με CPPU αύξησε το βάρος και το μέγεθος των καρπών μόνο των επαρκώς επικονιασμένων πρέμνων. Η απουσία επικονιαστών προκάλεσε την ανάπτυξη μαλακών παραμορφωμένων καρπών, με χαμηλό αριθμό σπερμάτων, μικρή περιεκτικότητα Ca2+ και υψηλό περιεχόμενο φαινολικών ουσιών ανεξάρτητα από τη μεταχείριση με CPPU. Σε δεύτερο πείραμα αγρού με φυσικές συνθήκες επικονίασης αξιολογήθηκε η επίδραση του CPPU σε καρπούς ακτινιδιάς κατά την ανάπτυξη και ωρίμανσή τους. Το CPPU ενέτεινε τη μεγέθυνση των μικρών κυττάρων και την αύξηση του μεγέθους των καρπών. Οι αποκρινόμενες στο CPPU πρωτεΐνες εμπλέκονται κυρίως στους μηχανισμούς άμυνας των φυτών, ενώ οι αποκρινόμενοι μεταβολίτες στην ομοιόσταση των σακχάρων και στη σύνθεση δομικών υλικών των κυτταρικών τοιχωμάτων και συγκεκριμένα σε μεταβολικές οδούς όπως ο κύκλος των τρικαρβοξυλικών οξέων (ΤCA), και η βιοσύνθεση του ασκορβικού οξέος. Οι καρποί μετά από τη συγκομιδή παρέμειναν για 2 μήνες σε ψυχρό θάλαμο και κατόπιν μεταφέρθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου, για την αξιολόγηση της μετασυλλεκτικής τους συμπεριφοράς. Το CPPU καθυστέρησε την ωρίμανση, όπως αποτυπώθηκε από την καθυστέρηση στην έκλυση αιθυλενίου και τη μικρότερη περιεκτικότητα υδατοδιαλυτών συστατικών σε σύγκριση με το μάρτυρα. Επιπλέον, στους καρπούς που μεταχειρίστηκαν με CPPU καταγράφηκε υψηλότερη συνεκτικότητα λευκού πυρήνα και μείωση των φαινολικών ουσιών της σάρκας συγκριτικά με το μάρτυρα. Οι πρωτεΐνες που διαφοροποιήθηκαν ως απόκριση στο CPPU σχετίζονται κυρίως με την άμυνα και το μεταβολισμό του φυτού. Στους αποκρινόμενους στο CPPU μεταβολίτες, καταγράφηκαν διαφορές στην περιεκτικότητα υδατοδιαλυτών σακχάρων και οργανικών οξέων. Γενικότερα, η παρούσα μελέτη αποτελεί μία πρώτη αναφορά πρωτεομικών και μεταβολικών πληροφοριών που μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την πληρέστερη κατανόηση της ανάπτυξης αλλά και της μετασυλλεκτικής συμπεριφοράς των καρπών, μετά από τη χρήση εξωγενών κυτοκινινών.