Ripening-delaying peptides and their applicability to steer quality development of climacteric fruits

Abstract

Processes extending the shelf-life of climacteric fruits play an important role in increasing sustainability of global food supply. As consequence of uncontrolled ripening process, significant losses in quantity and quality exist at farm level and along the food chain. Ethylene is the key phytohormone triggering fruit ripening and senescence. Recent studies on the ethylene signalling pathway have shown that the signal transduction depends essentially on the interaction of the ethylene receptor (ETR) with the signal protein EIN2 (ethylene-insensitive protein 2). A novel synthetic octapeptide (NOP-1) derived from the so-called nuclear localization signal (NLS) at the C-terminal end of EIN2 inhibits the interaction between ETR and EIN2 and may slow-down fruit ripening. The main objectives of this study were to examine the ripening delay, and the mode-of-action, of the recombinant NOP-1 on tomatoes and apples. For this purpose, NOP-1 was applied as aqueous peptide solution onto the fruits´ surfaces after their harvest. Three different experiments, each one with a specific focus and its own particularities, were conducted. <br /> Dose-response and response-time experiments were done by application of solution droplets to the surfaces of green tomatoes. Further, the effect of NOP-1 was examined on apple fruits, which produce several times more ethylene than tomatoes. In addition, the potential effect of different application methods was studied. Finally, a ripening-stage dependent effect of NOP-1, and the impact of repeated applications, were analyzed. In order to enable a time-resolved monitoring of fruit ripening, sensor-based evaluations were performed for quality assessments and compared to classic destructive quality determinations. In summary, the following results were obtained:<br /> 1. NOP-1 concentration of 1000 μMol delayed ripening of tomatoes for several days, when applied at maturity stage ‘mature green’, whereas concentrations of 400 μMol and 2000 μMol were not effective. Colour development, chlorophyll degradation and accumulation of lycopene and ß- carotene were inhibited whereas firmness was not affected. Likewise, no quality impairment was observed.<br /> 2. On apples, NOP-1 (1000 μMol) inhibited colour development and chlorophyll degradation during shelf-life. These effects were more pronounced with the brush application (surface film) than with the application of microdroplets (mimicking a spray formulation). NOP-1 did not alter ethylene release or respiration rate, whereas 1-MCP strongly suppressed both. NOP-1 shows no differences in the quality parameters firmness, titratable acidity (TA), total soluble solids (TSS) and starch index. <br /> 3. NOP-1 delayed ripening of tomatoes when applied at the maturity stage ‘breakers’ indicated by slower colour development. Repeated application had no additional delaying effect and did not reach the level of ripening delay induced by 1-MCP. When applied at the maturity stage ‘pink’ no ripening delay was observed. These results indicate that NOP-1 works best when applied at early ripening stages, long before autocatalytic ethylene synthesis takes place. <br /> In general terms, our results show that NOP-1 has promising potential to delay fruit ripening and steer quality of climacteric fruits. Besides significant advances in understanding the technology and the mode-of-action, many details have to be better understood and adapted. In practical terms, more precise information is needed in terms of timing and frequency of application for different species and varieties, and the impact of NOP-1 on the different quality attributes of fruits.

<strong>Reifeverzögernde Peptide und ihre Anwendbarkeit zur Steuerung der Qualitätsentwicklung von klimakterischen Früchten </strong> <br /> Maßnahmen zur Verlängerung der Haltbarkeit von klimakterischen Früchten spielen eine wichtige Rolle für eine nachhaltigere, globale Lebensmittelversorgung. Ein hoher Anteil der Fruchtverluste ist auf den Reifeprozess und die dadurch bedingten Qualitätsverluste während Transport und Lagerung zurückzuführen. Ethylen ist das Schlüsselhormon für Reifung und Seneszenz. Neuere Studien zum Ethylen-Signalweg haben gezeigt, dass die Signaltransduktion im Wesentlichen von der Interaktion des Ethylenrezeptors (ETR) mit dem Signalprotein EIN2 (Ethylene-insensitive 2) abhängt. Ein neues synthetisches Octapeptid (Nuclear Octapeptid 1, NOP-1), welches vom so genannten Nuclear Localization Signal (NLS) am C-terminalen Ende von EIN2 abgeleitet ist, hemmt die Interaktion zwischen ETR und EIN2 und kann die Fruchtreife verzögern. Hauptziel dieser Studie war die Untersuchung der Reifeverzögerung und der Wirkungsweise des rekombinanten NOP-1 bei Tomaten und Äpfeln. Dosis-Wirkungs- und Zeit- Wirkungs-Experimente wurden durch Aufbringen von NOP-1 in wässriger Lösung auf die Fruchtoberfläche grüner Tomaten durchgeführt. Auf diesen Basisexperimenten aufbauend wurde die NOP-1-Wirkung bei Äpfeln, welche eine deutlich höhere Ethylenproduktion aufweisen als Tomaten, sowie der Einfluss des Peptids auf den Ethylenstoffwechsel, untersucht. Zusätzlich wurden potentielle Effekte unterschiedlicher Applikationsmethoden analysiert. Detaillierte Untersuchungen der NOP-1 Wirkung wurden zudem in verschiedenen Reifestadien von Tomaten und bei wiederholter Applikation durchgeführt. <br /> Um eine unmittelbare Kontrolle der Fruchtreifeentwicklung zu ermöglichen wurden sensorgestützte Methoden zur Qualitätsbeurteilung verwendet und diese mit klassischen destruktiven Analyseverfahren verglichen. Zusammenfassend lassen sich die Ergebnisse wie folgt darstellen: <br /> 1. NOP-1 in einer Konzentration von 1000 μMol verzögerte die Abreife von Tomaten im Reifestadium ‚mature green‘ um mehrere Tage, wohingegen Konzentrationen von 400 μM und 2000 μM keinen reifeverzögernden Effekt zeigten. Der Chlorophyllabbau sowie die Akkumulation von Lykopin und ß-Carotin wurden gehemmt, während die Festigkeit nicht beeinträchtigt wurde. Eine Qualitätsminderung der Frucht wurde nicht beobachtet. <br /> 2. Bei Äpfeln hemmte NOP-1 (1000 μMol) die Farbentwicklung und den Chlorophyllabbau während der Shelf-life Periode. Dieser Effekt war bei der Oberflächenbehandlung mittels Pinsel (Oberflächenfilm) stärker ausgeprägt als bei Mikrotropfenapplikation (Nachahmung eines Sprühfilms). NOP-1 hatte weder Einfluss auf die Ethylenfreisetzung noch auf die Atmungsaktivität, während 1-MCP beide stark unterdrückte. NOP-1 zeigte keine Unterschiede in den Qualitätsparametern Festigkeit, titrierbarer Säuregehalt (TA), gesamtlösliche Feststoffe (TSS) und Stärkeindex. <br /> 3. NOP-1 verzögerte die Abreife bei Tomaten im Reifestadium „Breakers“, welches durch die Verzögerung der Fruchtschalenverfärbung dokumentiert wurde. Die wiederholte Applikation hatte keinen zusätzlichen verzögernden Effekt und war geringer als die Reifeverzögerung durch 1-MCP. Im Stadium „Pink“ trat keine Reifeverzögerung ein. Dies weist daraufhin, dass die NOP-1 induzierte Reifeverzögerung am stärksten in frühen Reifestadien ist, bevor die autokatalytische Ethylensynthese einsetzt. <br /> Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass NOP-1 ein vielversprechendes Potenzial zur Fruchtreifeverzögerung und zur Regulierung der Qualität klimakterischer Früchte hat. Trotz Verbesserung der Kenntnisse über Wirkungsweise und Anwendbarkeit müssen noch viele Details besser verstanden werden. Für die praktische Anwendung sind arten- und sortenspezifische Informationen über Zeitpunkt und Häufigkeit sowie über die NOP-1-Wirkung auf unterschiedliche Qualitätsparameter der Früchte besonders wichtig