Ethylene-releasing plant growth regulators promote ripening initiation by stimulating sugar, acid and anthocyanin metabolism in blueberry (Vaccinium ashei)

Resumo

Contexto: O amadurecimento dos frutos é um processo coordenado que leva ao aumento dos açúcares, à diminuição dos ácidos e ao acúmulo de pigmentos. Os frutos do mirtilo exibem um comportamento de amadurecimento climatérico atípico. Embora apresentem aumento da respiração e da produção de etileno durante o amadurecimento, a síntese de etileno é regulada pelo desenvolvimento. Neste estudo, o efeito do etileno no amadurecimento dos frutos do mirtilo foi investigado por meio de aplicações pré‑colheita de reguladores vegetais liberadores de etileno, etefon e ácido 1‑aminociclopropano‑1‑carboxílico (ACC), em uma cultivar de altitude (Miss Lilly) em 2019 e em duas cultivares rabbiteye (Premier e Powderblue) em 2019 e 2020. Além disso, foram avaliados os efeitos desses dois reguladores no metabolismo dos frutos durante o amadurecimento nas duas cultivares rabbiteye e na qualidade pós‑colheita em todas as três cultivares.

Resultados: Ambos os reguladores aumentaram a evolução de etileno dentro de 1–3 dias após o tratamento. As aplicações de etefon e ACC aumentaram a taxa de amadurecimento dentro de 5 dias em todas as cultivares e aumentaram os frutos maduros (azuis) em até 35% e 29%, respectivamente, entre 7 e 10 dias após o tratamento em comparação com o controle. A análise de metabólitos revelou que os tratamentos com reguladores resultaram em um aumento imediato, porém transitório, de sacarose, glicose e frutose em ‘Premier’ aos 3 dias. O malato diminuiu aos 3 dias em resposta a ambos os tratamentos em ‘Premier’ e aos 5 dias no tratamento com etefon em ambas as cultivares. Um rápido aumento na concentração de múltiplas antocianinas foi observado aos 3 dias em resposta a ambos os reguladores em ‘Premier’ e ‘Powderblue’. A análise de expressão gênica revelou um aumento na abundância de transcritos da invertase vacuolar e de vários genes da biossíntese de antocianinas entre 1 e 3 dias após os tratamentos, corroborando as alterações metabólicas. No entanto, a alteração nas concentrações de metabólitos não foi sustentada, sendo semelhante nos frutos tratados e no controle nos frutos maduros colhidos aos 10 dias. Os atributos de qualidade pós‑colheita, como firmeza, sólidos solúveis totais, acidez titulável e qualidade visual, não foram afetados de forma consistente pelas aplicações dos reguladores em todas as cultivares. Observou-se uma diminuição no peso dos frutos, embora não consistente, em resposta aos tratamentos.

Conclusões: Em conjunto, este estudo demonstra que o etileno desempenha um papel crucial na promoção do amadurecimento por meio da estimulação rápida e transitória do metabolismo de açúcares, ácidos e antocianinas. A promoção do amadurecimento por reguladores liberadores de etileno pode levar a alterações mínimas, porém inconsistentes, nos atributos de qualidade dos frutos durante o armazenamento pós‑colheita.

Abstract

Background
Fruit ripening is a coordinated process that leads to an increase in sugars, decrease in acids and accumulation of pigments. Blueberry fruit exhibit an atypical climacteric ripening behavior. These fruit display an increase in respiration and ethylene production during ripening, however ethylene synthesis is developmentally regulated. In this study, the effect of ethylene on blueberry fruit ripening was investigated via preharvest applications of ethylene-releasing plant growth regulators (PGRs), ethephon and 1-aminocyclopropane 1-carboxylic acid (ACC), in one southern highbush cultivar, Miss Lilly in 2019, and two rabbiteye cultivars, Premier and Powderblue in 2019 and 2020. Further, the effects of these two PGRs on fruit metabolism during ripening in the two rabbiteye cultivars, and postharvest fruit quality in all three cultivars were evaluated.
Results
Both PGRs increased ethylene evolution within 1–3 days after treatment (DAT). Ethephon and ACC applications increased the rate of ripening within 5 DAT in all cultivars, and increased ripe (blue) fruit by up to 35% and 29%, respectively between 7 to 10 DAT compared to the control. Metabolite analysis revealed that PGR treatments resulted in an immediate, but transient increase in sucrose, glucose and fructose, in ‘Premier’ at 3 DAT. Malate decreased at 3 DAT in response to both PGR treatments in ‘Premier’, and at 5 DAT in ethephon treatment in both cultivars. A rapid increase in the concentration of multiple anthocyanins was noted at 3 DAT in response to both PGRs in ‘Premier’ and ‘Powderblue’. Gene expression analysis revealed an increase in transcript abundance of VACUOLAR INVERTASE (vINV) and multiple anthocyanin biosynthesis genes between 1 and 3 DAT after PGR treatments in both cultivars, supporting the metabolite changes. However, the alteration in fruit metabolite concentrations were not sustained, and similar in PGR-treated fruit compared to the control in ripe fruit harvested at 10 DAT. Postharvest fruit quality attributes, such as firmness, total soluble solids, titratable acidity, and visual quality, were not consistently affected by the PGR applications compared to control treatments across all cultivars. A decrease in fruit weight was noted, although not consistently, in response to PGR treatments.
Conclusions
Overall, this study demonstrates that ethylene plays a crucial role in promoting ripening via rapid and transient stimulation of sugar, acid and anthocyanin metabolism. The promotion of fruit ripening by ethylene-releasing PGRs can lead to minimal but inconsistent changes in fruit quality attributes during postharvest storage.