Ethylene biosynthesis of "Jonagold" apple during storage and shelf life

210 Pages·2012·21.78 MB·English

Arenberg Doctoral School of Science, Engineering & Technology
Faculty Bioscience Engineering
Department Biosystems
Ethylene biosynthesis of "Jonagold" apple
during storage and shelf life:
A modeling approach
Dissertation presented in Inge Bulens
partial fulfillment of the
requirements for the degree of
Doctor of Bioscience Engineering
December 2012

Doctoraatsproefschrift nr. 1071 aan de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
van de KU Leuven.
Ethylene biosynthesis of "Jonagold" apple during
storage and shelf life:
A modeling approach
Inge Bulens
Promotors: Dissertation presented in
Prof. B.M. Nicolaï partial fulfillment of the
Prof. M.P. De Proft requirements for the degree of
Dr. M.L.A.T.M Hertog Doctor of Bioscience Engineering
Members of The Examination Committee:
Prof. A. Geeraerd
Prof. J. Keulemans
Prof. A. Van Loey
Prof. C. Watkins
Chairman:
Prof. E. Decuypere
December 2012
© Katholieke Universiteit Leuven, Groep Wetenschap & Technologie,
Arenberg Doctoraatsschool, W. de Croylaan 6, B-3001 Leuven (Belgium)
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden ver-
menigvuldigd en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk,
fotokopie, microfilm, elektronisch of op welke andere wijze ook zonder
voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
All rights reserved. No part of the publication may be reproduced in any
form by print, photoprint, microfilm or any other means without written
permission from the publisher.
D/2012/11.109/57
ISBN 978-90-8826-270-8
Bedankt!
Vijf jaar... zolang heeft het geduurd om dit doctoraat te maken tot wat
het nu is. Een IWT aanvraag vol grootse plannen evolueerde naar een
concrete (zij het iets wat te omvangrijke) proefopzet. Die proefopzet
op papier werd al snel vervangen door containers vol appels die zich
vanuit de koelcellen geleidelijk aan verplaatsten naar de -80. Eén doos
werden er twee, drie vier, ... en al gauw werden vrije plaatsjes in eendert
welke diepvries in het gebouw zeer gegeerd. Het heeft heel wat moeite
gekost maar uiteindelijk resulteerde al het experimentele werk in een
grote dataset waar we het model dat we intussen ontwikkeld hadden op
konden loslaten.
Een doctoraat maken is natuurlijk veel meer dan met respiratiepotten
rondzeulen en appels crushen alleen (al zou je dat soms bijna vergeten).
Eendoctoraatmakenissamenwerkenmetsupercollega’s,naarcongressen
gaan waar de auteurs uit je literatuurstudie tot leven komen, nieuwe
technieken leren, artikels schrijven en nog veel meer. Op vijf jaar tijd
worden de collega’s die je ooit wegwijs maakten in het labo, die je
appels hielpen inzetten (en je er met lichte dwang aan herinnerden om
je containers leeg te maken tegen de zomer), die je al een beetje kende
van tijdens je opleiding tot bio-ingenieur, die toevallig dezelfde bureau
deelden, die samen "trainden" voor een halve-marathon of Spartacus
race, die je onder andere leerde om met excel te werken, presentaties
boeiend to maken en van een hoopje vergelijkingen een model te maken,
i
ii Dankwoord
die samen aan protocols werkten en “streden” om wie de resultaten
mocht verkondigen op een congres of in een artikel, die houden van de
wereldkeuken van de Viavia,...geleidelijk aan, bijna onopvallend, maar
zonder enige twijfel, worden ze vrienden... Bedankt allemaal voor de
super fijne afgelopen 5 jaar! En bedankt Bart om me de kans te geven
om een doctoraat te maken bij MeBioS.
Tussen het doctoreren door werd er ook thuis heel wat verhuisd en
verbouwd. Een kot in Leuven werd een appartement in Heverlee en ten
slotte een huis in Hofstade. De grootste verandering van de afgelopen
jaren was ongetwijfeld de komst van onze Sieb, mijn oogappeltje, en
het enige appeltje dat er echt toe doet. Vanaf het moment dat we
wisten dat je kwam bracht dit grote veranderingen te weeg. Het labo
waar ik bijna dagelijks werkte werd plots verboden terrein, collega’s met
handschoenen en vreemd geurende potjes werden gemeden (waarvoor
mijn excuses). Gelukkig kon ik op de hulp van de laboranten rekenen om
mijn experimenteel werk tot een goed einde te brengen (special thanks to
you Julia, for measuring my samples with so much care and with so much
eye for detail). Na aan spannende laatste maand waarbij we ons constant
afvroegen wat er eerst zou zijn: jouw komst of een dak op ons huis, werd
je dan eindelijk geboren. In de maanden die daarop volgden leek mijn
doctoraat verder weg dan ooit. Langzaamaan pasten we ons aan en
werd ons leven weer een beetje georganiseerd. Onder de californische zon
werden de batterijen weer opgeladen, de artikels opgediept en het laatste
jaar werd ingezet.
Er is dus heel wat veranderd gedurende de laatste jaren maar gelukkig
zijn er ook dingen die niet veranderen. Zo zijn er mijn vrienden, ouders,
schoonouders,(schoon)broersen(schoen)zussenwaarwealtijdopkunnen
rekenen. Zonder hen zou dit doctoraat er waarschijnlijk niet gekomen
zijn. Koen, al meer dan 11 jaar (oh jee wat worden we oud) kan ik bij
jou terecht, om blij nieuws te vieren, met groot en klein verdriet, met
technische problemen, om er samen op uit te trekken, om te werken aan
ons plan om de wereld te verbeteren... Misschien dat mijn doctoraat
Dankwoord iii
niet meteen de honger uit de wereld gaat helpen, maar ik hoop toch
dat mijn artikels af en toe nog eens gelezen zullen worden en andere
wetenschappers vooruit zullen helpen. Mijn doctoraat heeft zeker en
vast mijn wereld verbeterd. Het heeft me veel geleerd, ik ben er een
beter onderzoeker door geworden en ik heb er vrienden voor het leven
gemaakt.
Bedankt!
Special thanks to the research groups of prof. Christian Larrigaudiere
(IRTA, Lleida, Spain), prof. Frans Harren and Simona Cristescu (LSTG
research group, Nijmegen, the Netherlands) who kindly welcomed me
into their labs and shared their knowledge and technology. In addition
I would like to thank the members of the examination committee for
their suggestions and remarks which helped to improve this manuscript.
I would also like to thank the IWT for the financial support (SB-71435).
Abstract
With a yearly production of 300,000 ton, apple is an important Belgian
product with "Jonagold" being the main cultivar. Apple is a climacteric
fruit and is susceptible to an ethylene regulated ripening process which
causes the fruit to become softer, less crispy and develop a greasy skin.
To control the ripening process, apples are stored under controlled at-
mosphere (CA) conditions after harvest, often in combination with a
treatment with ethylene inhibitors like 1-MCP (SmartfreshTM). Under
these conditions the O - and CO - partial pressure are controlled in such
2 2
a way that the respiration and the associated quality changes are reduced
to a minimum, without introducing undesired physiological disorders.
The optimal combination of storage conditions depends on the species,
cultivar and ripeness stage and is to be determined experimentally. This
requires a substantial amount of time and storage infrastructure. If this
experimental approach could be supported by a model based simulation
and decision making system, the sector would greatly benefit from it. For
this purpose a mathematical model is needed that contains sub-models
describing gas transport, respiration, the ethylene metabolism and fruit
quality. The objective of this thesis was the development of a kinetic
model that describes the ethylene production in "Jonagold" apple under
varying temperature and atmospheric conditions. Further, this model
was chosen to be based on the known physiology of the ethylene biosyn-
thesis and on experimental data on all relevant enzymes and metabolites.
iv
Abstract v
In a first step the necessary analytical measuring protocols were opti-
mized. The developed protocols are a combination of existing protocols
which were standardized and scaled down where possible and new proto-
cols, which replaced old and time consuming protocols.
Subsequently a large storage experiment was performed during two
consecutive harvest years. The objective of these experiments was to
determine the effect of both harvest date and treatment with 1-MCP on
the ethylene biosynthesis and quality of apple. The ethylene biosynthesis
of untreated apples during CA storage was found to depend on the
harvest date, but this dependency decreased during shelf life. The effect
of the treatment with 1-MCP was stronger than the effect of harvest
date and lasted for the entire storage and shelf life period. Based on the
quantitative analysis a clear picture was obtained of all components of
the ethylene biosynthesis in "Jonagold" apple during CA storage and
shelf life.
The obtained data served as the basis for the estimation of the 31 model
parameters of a newly developed kinetic ethylene model. The devel-
oped model was able to adequately describe the ethylene production of
"Jonagold" apple during shelf life as well as CA storage. Additionally,
the model allowed for an improved understanding of the regulation of
the ethylene biosynthesis. The metabolite SAM proved not to be rate
limiting for the biosynthesis of ethylene. The regulation of the enzymes
ACS and ACO differed greatly. ACS activity was almost completely sup-
pressed during storage while the ACO activity increased steadily. Based
on the model results it was postulated that the difference in activity was
a consequence of differences in expression levels of genes coding for both
enzymes during both storage and shelf life. The results revealed a need
for information concerning fast changes of the ethylene biosynthesis in
response to drastic changes in the ambient conditions.
In an independent experiment, online continuous ethylene measurements
were combined with destructive sampling for the analysis of enzymes
and metabolites at discrete moments in time. For these samples, not
vi Abstract
only enzyme activity but also protein levels and gene expression was
determined. Both a fast, 12-24 hours lasting response and a slower,
longer lasting response of the ethylene biosynthesis was observed upon
changing temperature and atmosphere conditions. The fast response
was presumably caused by the adaption of the fruit to the changing
conditions while the slower response was due to long term changes at the
transcriptional and translational level. The changes in ACS activity were
mainly associated with changes in the expression of ACS1 which was
regulating for the cold induced peak in ethylene production. During shelf
life the peak in ACO1 expression caused the increase in ACO activity
necessary for the exponential increase of ethylene production during the
climacteric ripening. Although ACO was never rate limiting we saw some
indications of post-translational control at the end of shelf life.
The developed model can be used for the prediction of the ethylene
production in both storage and shelf life. This, in turn, can be used
as an input for other models, e.g., that describe the loss of firmness in
time. The next step will be the integration of the ethylene model with
existing respiration models to form a detailed gas-exchange model that
can be used for the prediction of the storage potential of individual apple
batches.