Φυσιολογική και ευρείας κλίμακας μοριακή ανάλυση του επιφανειακού εγκαύματος των καρπών μηλιάς (Malus domestica Borkh)

Abstract

Superficial scald is a major physiological disorder of apple fruit (Malus domestica Borkh.) that characterized by skin browning following cold storage and subsequently has a significant effect on the postharvest quality of the fruits. Superficial scald is a complex phenomenon that is affected by both environmental and genetic factors as well as by the maturity stage of the fruits. In the present study, the effect of ozone (O3), 1-methylcyclopropene (1-MCP) and diphenylamine (DPA) was investigated in order to gain insight into the mechanisms underlying scald resistance/induction in “‘Granny Smith’” apple variety, using a combination of multi-omic molecular approaches such as proteomic, metabolomic and transcriptomic analyses. Phenotypic and physiological data indicated that both chemical treatments induced scald resistance, while 1-MCP inhibited the ethylene-dependent ripening. Nevertheless, O3 treated apples appear the highest percentage of superficial scald symptoms after the cold storage and during ripenning at room temperature (20 oC). Additionally, the multi-omic analysis in apple skin tissue enabled characterization of potential genes, proteins and metabolites that were regulated by DPA, 1-MCP and O3 at pro-symptomatic and scald-symptomatic period. Specifically, we characterized strata of scald resistance responses, among which we focus on selected pathways including dehydroabietic acid biosynthesis and UDP-D-glucose regulation. Through this approach, we revealed scald-associated transcriptional, proteomic and metabolic signatures and identified pathways modulated by the common or distinct functions of DPA, 1-MCP and O3 treatments. Results allow a greater comprehension of the ethylene –dependent and –independent metabolic events controlling scald resistance. Αccording to the comparative proteomic analysis, 106 protein spots that uniquelly identified were differentially expressed between 1-MCP, O3 and the combination treatment (1-MCP+O3), compared to the control fruits. Moreover, a transcriptomic profiling using microarrays technique was performed, which revealed 6.892 modified transcripts between treated and untreated (control) apples. In addition, a second analysis revealed that 1908 transcripts were regulated among ozone and the combination treatment 1-MCP+ozone. Based on the genes annotations, transcripts were classified into 33 functional categories (photosynthesis, nitrogen metabolism, cell wall etc). The results of the current research contribute to the detailed mapping of the molecular mechanisms that involved in superficial scald.

Η μετασυλλεκτική φυσιολογική διαταραχή του επιφανειακού εγκαύματος επηρεάζει καταλυτικά την ποιότητα των μήλων, γεγονός που φέρει σημαντικές οικονομικές απώλειες εξαιτίας της ακαταλληλότητας των καρπών για εμπορική χρήση. Τα συμπτώματα της εν λόγω διαταραχής δεν εμφανίζονται στο δέντρο και ξεκινάνε την εμφάνισή τους κατά τη διάρκεια και κυρίως μετά την απομάκρυνση των καρπών απο την ψυχρή συντήρηση. Το επιφανειακό έγκαυμα είναι ένα σύνθετο φαινόμενο που επηρεάζεται από περιβαλλοντικούς και από γενετικούς παράγοντες καθώς επίσης από το στάδιο της συλλεκτικής ωριμότητας των καρπών αλλά και τις μετασυλλεκτικές μεταχειρίσεις. Με βάση τα παραπάνω, στην παρούσα εργασία, διερευνήθηκε η μετασυλλεκτική επίδραση του όζοντος (Ο3), του 1-μεθυλοκυκλοπροπενίου (1-MCP) και της διφαινυλαμίνης (DPA) για την πληρέστερη κατανόηση του επιφανειακού εγκαύματος, χρησιμοποιώντας μοριακές προσεγγίσεις υψηλής απόδοσης (πρωτεομική, μεταβολομική, τρανσκριπτομική), σε καρπούς της ποικιλίας “‘Granny Smith’”, η οποία χαρακτηρίζεται ως ιδιαίτερα ευαίσθητη στο επιφανειακό έγκαυμα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι καρποί που μεταχειρίστηκαν με 1-MCP ή/και DPA δεν εκδήλωσαν συμπτώματα επιφανειακού εγκαύματος κατά την μετασυλλεκτική ωρίμανσή τους, σε αντιδιαστολή με τους καρπούς που συντηρήθηκαν σε συνθήκες Ο3, αλλά δεν εκτέθηκαν στο 1-MCP. Η διαφορετική αυτή αντίδραση των καρπών ως προς την εκδήλωση συμπτωμάτων αποτυπώθηκε και με αντίστοιχη μεταβολή σε γονίδια, πρωτεΐνες και μεταγραφικούς παράγοντες που εμπλέκονται σε κύριες βιοσυνθετικές οδούς, όπως για παράδειγμα στην βιοσύνθεση του διφωσφορικού γερανυλο-γερανυλίου διαμέσου της βιοσύνθεσης του μεβαλονικού οξέος. Σύμφωνα με συγκριτική πρωτεομική ανάλυση των ιστών του φλοιού ανιχνεύθηκαν 106 πρωτεϊνικές κηλίδες οι οποίες διέφεραν στις μεταχειρίσεις του 1-MCP, του Ο3 και της συνδυασμένης χρήσης τους (μεταχείριση 1-MCP+O3) αντίστοιχα, σε σύγκριση με τον μάρτυρα. Μετά από την ταυτοποίηση των πεπτιδίων με υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (nanoLC/MS/MS ανάλυση), οι πρωτεΐνες του φλοιού ταξινομήθηκαν σε λειτουργικές κατηγορίες σύμφωνα με το βιολογικό τους ρόλο και ακολούθησε συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση των “πρωτεϊνών στόχων” του 1-MCP και του Ο3. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε τρανσκριπτομική ανάλυση με την χρήση μικροσυστοιχιών (microarrays), η οποία οδήγησε στην ταυτοποίηση 6.892 γονιδίων τα οποία διαφοροποιήθηκαν μεταξύ των μεταχειρίσεων και του μάρτυρα. Τα εν λόγω γονίδια ταξινομήθηκαν σε 33 λειτουργικές κατηγορίες ανάλογα με τον βιολογικό τους ρόλο (φωτοσύνθεση, μεταβολισμός αζώτου, κυτταρικό τοίχωμα κ.λπ.). Συνολικά, τα αποτελέσματα της εργασίας συμβάλλουν στη λεπτομερή χαρτογράφηση των μοριακών μηχανισμών που εμπλέκονται στον έλεγχο του επιφανειακού εγκαύματος των μήλων.