Ethylen ist eine Verbindung aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit der chemischen Formel C2H4. Es ist ein farbloses Gas mit süßlichem Geruch, das in großem Umfang von der petrochemischen Industrie für den Einsatz vor allem in der Kunststoffherstellung hergestellt wird. Ethylen wird auch von Pflanzen produziert und wirkt als Hormon, das auf vielfältige Weise wichtige Pflanzenprozesse beeinflusst. Es ist ungewöhnlich, dass ein so kleines Molekül als Hormon aktiv ist. Die Ethylenbiosynthese in Pflanzen erfolgt als Reaktion auf verschiedene Belastungen, einschließlich des Angriffs durch Schädlinge und Krankheiten, Trockenheit und Gewebeschäden.
Die Auswirkungen von Ethylen auf Pflanzen sind vielfältig. Seine bekannteste Wirkung ist die Beschleunigung der Reifung einiger Obstsorten, zum Beispiel Äpfel, Bananen und Tomaten, nicht jedoch Zitrusfrüchte. Schon seit den alten Ägyptern war bekannt, dass manche Früchte durch Quetschungen schneller reifen konnten; es ist oft nur notwendig, eine Frucht zu quetschen oder zu schneiden, um die Reifung einer großen Anzahl von Früchten im selben Behälter zu beschleunigen. Ethylen wurde erst 1901 als Ursache dieser Reaktion identifiziert und erst im späten 20. Jahrhundert wurden Details des Prozesses der Ethylenbiosynthese in Pflanzengewebe bekannt.
Ethylen hemmt die Blütenproduktion bei den meisten Pflanzen, fördert aber die Samenkeimung und kann die Entwicklung der Sämlinge auf interessante Weise beeinflussen, die als „Triple-Response“ bekannt ist. Sämlinge, die unter dunklen Bedingungen gezüchtet und Ethylen ausgesetzt wurden, zeigen eine charakteristische Verdickung und Verkürzung des Stängels und eine verstärkte Krümmung des apikalen Hakens – eine Struktur, die das Wachstumszentrum an der Spitze des Stängels schützt. Ethylen fördert auch die Zerstörung von Chlorophyll, die Produktion von Pigmenten, die Anthocyane genannt werden – die mit Herbstfarben in Verbindung gebracht werden – sowie die Alterung und das Abwerfen von Blättern. Da die Verbindung ein Gas ist und – wie die meisten Hormone – in sehr geringen Konzentrationen wirksam ist, kann sie leicht durch Pflanzengewebe diffundieren, und so kann die Produktion dieser Verbindung durch eine Pflanze andere in der Nähe beeinflussen. Auch Ethylen aus industriellen Quellen und Automotoren kann Pflanzen beeinträchtigen.
Ausgangspunkt der Ethylenbiosynthese in Pflanzen ist Methionin, eine essentielle Aminosäure, die in den Chloroplasten produziert wird. Dieses reagiert mit Adenosintriphosphat (ATP) zu S-Adenosyl-L-Methionin (SAM), auch bekannt als S-AdoMet, katalysiert durch ein Enzym namens SAM-Synthetase. Eine weitere Reaktion wandelt SAM in 1-Amino-cyclopropan-1-carbonsäure (ACC) um, katalysiert durch das Enzym ACC-Synthase. Schließlich reagiert ACC mit Sauerstoff zu Ethylen, Blausäure und Kohlendioxid, katalysiert durch das Enzym ACC-Oxidase. Die Blausäure wird durch ein anderes Enzym in eine harmlose Verbindung umgewandelt, sodass bei der Ethylenbiosynthese keine giftigen Chemikalien freigesetzt werden.
ACC-Synthase wird von Pflanzen als Reaktion auf Stress produziert, wodurch mehr ACC und folglich mehr Ethylen produziert wird. Der Stress kann in Form eines Angriffs durch Schadinsekten oder Pflanzenkrankheiten auftreten oder durch Umweltfaktoren wie Trockenheit, Kälte oder Überschwemmungen verursacht werden. Schädliche Chemikalien können auch zu Stress führen, der zur Ethylenproduktion führt.
Das Pflanzenhormon Auxin stimuliert, wenn es in großen Mengen vorhanden ist, die Ethylenproduktion. Auxinische Herbizide wie 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) ahmen die Wirkung dieses Hormons nach und verursachen in vielen Pflanzen die Ethylenproduktion. Obwohl die genaue Wirkungsweise dieser Herbizide nicht klar ist, scheint eine übermäßige Ethylenproduktion eine Rolle beim Pflanzensterben bei anfälligen Arten zu spielen.
Der Zweck der Ethylenbiosynthese in Pflanzen ist seit 2011 ein aktives Forschungsgebiet. Angesichts des breiten Wirkungsspektrums dieses Hormons ist es wahrscheinlich, dass es mehrere Funktionen hat. Im Fall von Sämlingen scheint es als Reaktion auf die Resistenz des Bodens gegen den sich entwickelnden Sämling produziert zu werden und Wachstumsreaktionen auszulösen, die zum Schutz des Wachstumszentrums beitragen. Es gibt auch Hinweise darauf, dass es bei der Krankheitsresistenz eine Rolle spielen könnte; experimentelle Studien legen nahe, dass Pflanzen, denen eine Ethylenreaktion fehlt, anfälliger für einige Krankheiten sind.