Sortenspezifische Veränderung der Fruchtfleischfestigkeit bei Apfel während der Lagerung unter Berücksichtigung des Signalmoleküls Ethylen

Abstract

Ripening of apples is initialized by ethylene, a ripening hormone, and the start of ripening is marked by an increase of ethylene production. During ripening fruit firmness is one of the changing processes and it is one of the major quality parameters for consumer and trade. After harvest the decline of apple fruit firmness consist of three distinct phase, in which the first phase, where no significant firmness reduce is observed, is the main part. The length of the first phase is different between the cultivars, so rapid softening cultivars have a short and cultivars, which obtain firmness over long time, have a long first phase. Application of ethylene will shorten this phase depending on the ethylene sensivity of the cultivars. The decline of fruit firmness is affected by changes in the cell wall. The aim of this study is to investigate this cultivar specific firmness decline by measuring gene expression of cell wall modifying enzymes and the activity of the cell wall modifying enzyme β galactosidase (GAL), and to find out the reason for the ethylene sensivity of the cultivars by recording ethylene production, gene expression and activity of ethylene biosynthesis enzymes also gene expression of the ethylene receptors and ethylene signal transduction proteins. To reach that goals three cultivars with different firmness and ethylene production are used and stored up to 4 month in a cool storage with 10 °C. The used cultivars are ‘Pinova’, which maintain firmness, ‘Elstar’ and ‘Golden Delicious’, which soften rapidly. ‘Pinova’ and ‘Elstar’ have a low ethylene production compared to ‘Golden Delicious’. Additional the ripening process is influenced by an inhibiting action of 1 Methylcyclopropen (1 MCP) and a promoting effect of ethylene. The main results are that correlation between ethylene production and fruit firmness persist just in softening cultivars although there are no difference between ‘Elstar’ and ‘Pinova’ in gene expression of ethylene biosynthesis enzymes. Also there are no differences between them in gene expression of ethylene receptors and ethylene signal transduction proteins while ‘Elstar’ shows an ethylene sensivity in contrast to ‘Pinova’. By comparison of the literature it is hypothesized that the amount of the ethylene receptors ERS1 and ERS2 is related to fruit firmness and the ethylene receptor ETR2 could be the sensor of ethylene sensivity. Furthermore the results about the changes/shifting of the cell wall refer to a difference between the cultivars in the gene expression of MdPG, MdAF, MdXTH2 und MdXYL with higher values for ‘Elstar’, but neither the expected inhibition of 1 MCP nor the promotion of ethylene in this genes happened. The activity of GAL shows indeed a cultivar specific pattern but it doesn´t correlate to fruit firmness. Also for other cell wall modifying enzyme activity or cell wall content exist no reference for a relationship to fruit firmness. So it is hypothesized that the interlinkage of the single cell wall components causes the fruit firmness on the one hand and limits the substrate availability of the respective cell wall modifying enzyme on the other hand.

Die Reife der Apfelfrucht wird durch Ethylen, einem Reifungshormon, initiiert und der Reifebeginn ist durch einen Anstieg der fruchteigenen Ethylenproduktion gekennzeichnet. Während der Reife nimmt u.a. die Fruchtfleischfestigkeit ab, die eines der wichtigsten Qualitätsparameter für den Konsumenten und den Handel ist. Die Abnahme der Fruchtfleischfestigkeit des Apfels nach der Ernte verläuft dreiphasig, wobei die erste Phase, bei der es noch nicht zu einem signifikantem Festigkeitsabbau kommt, die wichtigste ist. Die Länge der ersten Phase unterscheidet sich in den Apfelsorten, dabei haben schnell weichwerdende Sorten eine kurze und lange festbleibende Sorten eine lange erste Phase. Durch Zugabe von Ethylen wird diese Phase, je nach Ethylensensitivität der Sorte, verkürzt. Die Abnahme der Fruchtfleischfestigkeit wird hauptsächlich durch die Veränderung der Zellwand im Reifeverlauf bedingt. Ziel ist es zum einen die sortenspezifische Fruchtfleischfestigkeitsabnahme zu ergründen, indem die Genexpression einiger zellwandmodifizierender Gene sowie die Aktivität des zellwandmodifizierenden Enzyms β Galaktosidase (GAL) bestimmt wird, und zum anderen der Ursache für die Ethylensensitivität der Sorten nachzugehen, indem die Ethylenproduktion, Aktivität und Genexpression der Ethylenbiosynthese-Enzyme sowie die Genexpression der Ethylenrezeptoren und der Ethylensignalproteine gemessen werden. Um die sortenspezifischen Veränderung zu erfassen, werden drei Apfelsorten mit unterschiedlichem Verlauf der Fruchtfleischfestigkeitsabnahme und Ethylenproduktion verwendet und im Kühllager bei 10° C bis zu einer Lagerdauer von 4 Monaten verwahrt. Die Sorte ‚Pinova‘ gilt als festbleibend und die Sorten ‚Elstar‘ und ‚Golden Delicious‘ als weichwerdend. ‚Pinova‘ und ‚Elstar‘ weisen eine vergleichsweise niedrige Ethylenproduktion zu ‚Golden Delicious‘ auf. Zusätzlich wird der Reifeverlauf dieser Sorten beeinflusst, indem dieser durch die Anwendung von 1 Methylcyclopropen (1 MCP) gehemmt und durch die Zugabe von Ethylen beschleunigt wird. Als wesentliche Ergebnisse zeigen sich, dass trotz unterschiedlicher Menge an produziertem Ethylen nur die weichwerdenden Sorten eine Korrelation zwischen Fruchtfleischfestigkeit und Ethylenproduktion aufweisen, obwohl die Genexpression der Ethylenbiosyntheseenzyme von ‚Elstar‘ und ‚Pinova‘ keinen Sortenunterschied erkennen lassen. Weiterhin zeigt sich kein Sortenunterschied in der Genexpression der Ethylenrezeptoren sowie der Signalproteine, obwohl ‚Elstar‘ ethylensensitiv im Gegensatz zu ‚Pinova‘ ist. Durch Vergleiche mit der Literatur wird vermutet, dass zum einen die Menge der Ethylenrezeptoren ERS1 und ERS2 mit der Fruchtfleischfestigkeit in Zusammenhang stehen und zum anderen der Ethylenrezeptor ETR2 der Sensor der Ethylensensitivität sein könnte. Die Ergebnisse zur Aufklärung der Veränderung der Zellwand verweisen zwar auf einen Sortenunterschied in der Genexpression von MdPG, MdAF, MdXTH2 und MdXYL mit höheren Werten bei ‚Elstar‘, aber weder die erwartete Hemmung durch 1 MCP noch Förderung durch Ethylen dieser Gene ist eingetreten. Die GAL-Aktivität zeigt zwar ein sortenspezifisches Muster, welches aber nicht mit der Fruchtfleischfestigkeit korreliert. Auch für die Enzymaktivität anderer zellwandmodifizierender Enzyme oder Gesamtzellwandgehalte gibt es in der Literatur keinen Hinweis auf einen Zusammenhang zur Fruchtfleischfestigkeit. Hier liegt die Vermutung nahe, dass die Verknüpfung der einzelnen Zellwandbestandteile zum einen die Fruchtfleischfestigkeit bedingt und zum anderen die Substratverfügbarkeit für die jeweiligen zellwandmodifizierenden Proteine limitiert.