Semillas Traduc Ok.docx

Capítulo 1 Estructura y Composición Las semillas abstractas son muy diversas en su forma y tamaño. En estado maduro, contienen un embrión, la siguiente generación de planta, rodeada por una estructura protectora (la cubierta de la semilla y / o el fruto) y, en especies en las que las reservas nutritivas no se almacenan dentro de los cotiledones, por un tejido de almacenamiento alternativo. (endospermo, perispermo o megagamelofito). La mayoría de las semillas contienen cantidades grandes y características de reservas poliiméricas. Los principales son los carbohidratos. Aceites y proteínas, con pequeñas cantidades de filina rica en fosfato. El almidón, un polímero de la glucosa, es la forma más común de carbohidratos almacenados, contenido dentro de los gránulos de almidón citoplasmático; Menos comunes son las hemicelulosas, almacenadas en paredes celulares secundarias, generalmente como polímeros de manano. Los aceites son triacilgliceroles, cada uno compuesto de glicerol y tres ácidos grasos que son específicos del aceite; Estos están presentes dentro de los cuerpos de aceite. Las proteínas de slorage, de las cuales hay tres tipos, albúminas, globulinas y prolaminas, se encuentran secuestradas en vacuolas de proteínas sloragc. Estas reservas son componentes vitales de las dietas humanas y animales, y su producción en cultivos es una base de la agricultura. Palabras clave Estructura de la semilla • Embrión • Endosperma • Capa de la semilla • Reservas de almacenamiento I. 1 Introducción Una primera pregunta obvia es: ¿por qué deberíamos estar interesados en las semillas? La respuesta es claramente porque son importantes para la planta como un medio importante de regeneración, y para los humanos, ya que sin su producción y propagación constantes, en última instancia, ¡no tendremos alimento, fibra ni refugio! Las semillas son el alimento básico de la dieta humana y de nuestros animales domesticados, y su valor radica en las reservas de almacenamiento de proteínas, almidones y aceites sintetizados durante el desarrollo y la maduración. Inicialmente, nuestros antepasados cazadores-recolectores recolectaban semillas mientras seguían manadas de caza salvaje, y luego se convirtieron en la base de la agricultura asentada cuando se sembraron en áreas fértiles en el Medio Oriente, Asia y en América del Sur y Central. Durante milenios, los agricultores han seleccionado semillas de plantas que mostraron rendimientos mejorados y siguiendo J. D. Bewley et al., Semillas: Pliysinlngy of Development. Germ'mation 1 andDormancy. 3ra Edición, DOl 10.I007 / 978-l-46l4-4693-4_l, O Springor Seioncc + Business Molía, LLC 2013 nuestra comprensión bastante reciente de la reproducción y la genética, la calidad y la producción del alimento de las semillas se han acelerado hasta hoy. Las principales semillas alimenticias son las de los cereales y las legumbres; La producción mundial anual se acerca ahora a los 3 mil millones de toneladas. Casi tres cuartos de los alimentos que comemos provienen directamente de las semillas, y muchos componentes importantes de la dieta se fabrican a partir de ellos. Las semillas vienen en muchas formas y tamaños, desde la semilla de orquídea más pequeña que pesa alrededor de una millonésima de gramo, hasta la enorme semilla de 25 kg de la palma de coco doble (coco de mer). Una o más de las características de una semilla se pueden usar en la identificación taxonómica. Sin embargo, la semilla caché contiene un embrión, que es la siguiente generación de plantas en miniatura; Generalmente está formado por la reproducción sexual y surge del óvulo durante el desarrollo. La semilla es el medio por el cual se dispersa el nuevo individuo, aunque con frecuencia la pared del ovario o incluso los órganos extraflorales permanecen en estrecha asociación para formar una unidad de dispersión más compleja como en los pastos y cereales. Así, la semilla ocupa una posición crítica en la historia de vida de la planta superior. El éxito con el que se establece el nuevo individuo, el tiempo, el lugar y el vigor de la plántula joven, está determinado en gran medida por las características fisiológicas y

bioquímicas de la semilla. De importancia clave para este éxito son las respuestas de una semilla a su ambiente y las reservas de alimentos que contiene; están disponibles para sostener a la planta joven en las primeras etapas de crecimiento antes de que se convierta en un organismo independiente y autótrofo, capaz de usar energía de la luz. Las personas también dependen de estas actividades para casi toda su utilización de las plantas. El cultivo de la mayoría de las especies de cultivos depende de la germinación de las semillas; Hay excepciones cuando la propagación se lleva a cabo vegetativamente. La importancia biológica y económica de las semillas es evidente, por tanto. En este libro daremos cuenta de los procesos involucrados en su desarrollo, en la germinación y la latencia y en su control, y en la ulilización de las reservas sccd durante las etapas carly de crecimiento de las plántulas. También se tratan temas importantes, como las respuestas de las semillas a su entorno y su mejoramiento, almacenamiento y ulilización. Si bien se han realizado avances considerables debido a la investigación sobre semillas de especies económicas importantes, nuestra comprensión de muchos procesos celulares y moleculares también se ha mejorado mediante el uso de semillas de especies "modelo", especialmente las de Arabidopsis (thale cress), cuya La secuencia del genoma y la plétora de mutantes han sido recursos de investigación invaluables. Y, por supuesto, el estudio de las semillas de especies no domesticadas ha permitido una mayor comprensión de su comportamiento en el medio ambiente natural. 1.2 Estructura de la semilla En las angiospermas y gimnospermas, las llamadas placís o espermatofitos, la semilla se desarrolla a partir del óvulo fertilizado; esto se discute con más detalle en las sectas. 2.1.2.2. En algún momento durante su desarrollo, la semilla de angiosperma suele estar compuesta de: (1) el embrión, el resultado de la fertilización del núcleo de la célula del óvulo en el saco embrionario por uno de los núcleos del tubo de tubo masculino; (2) el endospermo, que surge de la Tabla 1.1 ¿La unidad de dispersión es una semilla o una fruta? Algunos ejemplos semilla Especies de Brassica (por ejemplo, colza, mostaza, col)

Nuez de brasil Ricino Grano de cafe

Algodón Legumbres (p. Ej., Guisantes, frijoles) Calabazas (p. Ej., Pepino, médula) Tomate

Fruta (y tipo Ash, maple, elm (samara) Fresno, arce, olmo (samara) Cercales (cariopsis) Avellana, nuez, avena (nuez) Lechuga, girasol y otras compuestas. (cypsela)

fusión de dos núcleos polares de la célula central en el saco embrionario con el otro núcleo del tubo polínico; (3) el perisperm, un desarrollo del nucellus; y (4) la testa (cubierta de la semilla), formada a partir de uno o ambos de los integumentos internos o externos alrededor del óvulo. Aunque todas las semillas maduras contienen un embrión (a veces poco desarrollado), y muchas están rodeadas por una cubierta de semilla distinguible, en la medida en que el endospermo o el perispermo persiste entre las especies. A veces, la testa existe solo en forma rudimentaria, siendo la estructura externa más prominente el pericarpio o la capa de fruta derivada de la pared del ovario; en estos casos, la unidad de dispersión no es una verdadera semilla en el sentido botánico estricto, sino una fruta (Tabla 1.1). En las semillas de gimnosperma, no hay fusión de los núcleos masculino y polar que conducen a la formación de un endospermo triploide; en estos, el tejido de almacenamiento en la semilla madura (que es funcionalmente similar al endospermo real) es haploide y es el megagametofito modificado ( Fig. 1.1). Más raramente, los embriones dentro de las semillas son producidos por procesos no sexuales, como la apomixis (Sec. 2.3.5), y por lo tanto contienen solo el componente materno diploide de los genes. Tales semillas a menudo son indistinguibles de las de la misma especie que resultan de la reproducción sexual. El diente de león y algunos otros compuestos compilan exclusivamente, o casi exclusivamente, en la reproducción apomíctica. Cada uno de los componentes de la semilla ahora será considerado brevemente. 1.2.1 Embrión

El embrión está compuesto por el eje embrionario y uno o más cotiledones. El eje está compuesto por la raíz embrionaria (radícula), el hipocotilo al que están unidos los cotiledones y el vértice del brote con el primordio verdadero de la hoja (plumule). Estos parís suelen ser fáciles de distinguir en el embrión de dicotiledóneas (dicot) (Figs. 1.1, 2.2), pero en los embriones de especies monocoliledóneas (monocots), particularmente las gramíneas, identificarlas es considerablemente más difícil. Aquí, el cotilo único se reduce mucho y se modifica para formar el escutelo (Figs. 1.1.2.3); la vaina basal del cotiledón está alargada para formar un coleoplilo que cubre las primeras hojas, y en algunas especies (por ejemplo, el maíz) el hipocotilo se modifica para formar un mesocotilo. La coleorhiza es considerada como la base del hipocotilo que recubre el radio.

Fig. 1.1 La estructura de un grano monocotiledóneo (cariopsis) y semillas de una gimnosperma y algunas especies de dicotiledóneas que muestran la ubicación de sus tejidos y órganos. No dibujado a escala Las formas de los embriones y sus tamaños en relación con otras estructuras dentro de la semilla son variables. En especies de monocotiledóneas y dicotiledóneas con un endospermo bien desarrollado en la semilla madura, el embrión ocupa menos semilla que en las no endospérmicas 1.2 Estructura de semillas Semillas (fig. 1.1). Los coliledones de semillas endoscópicas a menudo son delgados y aplanados, ya que no almacenan muchas reservas (por ejemplo, la semilla de ricino); En las semillas no endospérmicas, como las de muchas de las leguminosas, las coliledones son el sitio de almacenamiento de reserva (tejido de almacenamiento embrionario) y representan casi toda la masa de la semilla (Fig. 1.1). Las coliledones de especies no endospérmicas, epígeas (Fig. 5.1) (como algunos miembros de la familia de la calabaza y el frijol de leguminosas) que se transmiten

sobre el suelo después de la germinación y se convierten en fotosintéticas, no son tan grandes ni contienen Gran cantidad de reservas almacenadas según el tipo de subgrupo, hipogeo (Fig. 5.2). Los coliledones están ausentes de las semillas de muchas especies parasitarias; por el contrario, los embriones de muchas especies de coníferas contienen varias coliledones (policíodo de pulpa) (Fig. 1.1). En la nuez de Brasil, gran parte del grano comestible (embrión) es el hipocotilo, que es inusualmente grande y es el sitio donde se depositan las reservas almacenadas. La polembrinia, es decir, más de un embrión en una semilla, se produce en algunas especies, por ejemplo, Poa alpina, Citrus y Opuntia spp. Esto puede surgir debido a la división de la célula ovárica fertilizada para formar varias iniciales de cigoto, el desarrollo de uno o más sinérgicos (células accesorias en el saco embrionario), la existencia de varios sacos embrionarios por nucelo y las diversas formas de apomixis. En el lino y otras especies, algunos de los embriones formados por polembrionía son haploides. No todas las semillas contienen embriones maduros cuando se liberan de la planta madre. Las etapas finales de desarrollo del embrión se producen después de que la semilla se haya dispersado, por ejemplo, ash spp., Carrol (Fig. 6.2b) y hogweed. Las semillas de orquídeas contienen embriones diminutos y mal formados, sin reservas de almacenamiento y sin endospermo (Fig. 6.2a). Su desarrollo y germinación adicionales requieren que primero formen una asociación simbiótica con hongos del suelo u otros microorganismos. 1.2.2 Tejidos de almacenamiento no embrionarios En la mayoría de las especies, el perispermo diploide, derivado completamente del tejido nucellar materno del óvulo, no se desarrolla, o se desarrolla solo por poco tiempo después de la fertilización, y se absorbe rápidamente a medida que se establece el embrión (y el endospermo cuando está presente). En las semillas de varias especies, entre ellas la remolacha, la yuca y algunos cactus, el perisperm es el almacén principal de las reservas de alimentos. El endospermo está virtualmente ausente de estas semillas, aunque en otras puede estar desarrollado en una extensión mayor (Acorus spp.) O menor (Piper spp.) Que el perisperm. En las semillas de remolacha (Fig. 1.1), tanto el perispermo como las coliledones del embrión contienen reservas sustanciales: solo hay una capa de células del endospermo que cubre la punta del radíele. Las semillas se pueden clasificar como endospérmicas o no endospérmicas en relación con la presencia o ausencia en la semilla madura de un endospermo triploide bien formado. Aunque hay un endospermo presente, generalmente se considera que algunas semillas no son endospérmicas debido a que este tejido se descompone en su mayoría y es solo un remanente débil de lo que se formó durante el desarrollo (p. Ej., Soja y maní), o solo puede ser robusto. De una a unas pocas capas celulares de espesor (p. ej., Ielluce, Arabidopsis). En estos casos, otras estructuras, generalmente las coliledones, son los órganos principales de almacenamiento. Algunos endospermas son relativamente masivos y son la principal fuente de reservas almacenadas dentro de la semilla madura, por ejemplo, en cereales, ricino, palmera datilera y leguminosas endospérmicas como la alholva, la algarroba y la langosta de miel. En los cercales y algunas leguminosas endospérmicas (p. Ej., Fenogreco), la mayoría de las células del endospermo no viven en la madurez, ya que los contenidos citoplásmicos se han ocluido por la acumulación de reservas durante el desarrollo, acompañado por la aparición de muerte celular programada (Sección 5.5). .4). Pero en el exterior del endospermo sigue siendo un tejido vivo, la capa de aleurona, que no almacena ninguna de las principales reservas, sino que es responsable en última instancia de la producción y liberación de enzimas para su movilización (Figs. 1.1, 5.5). Los endospermos con una alta capacidad de retención de agua pueden tener una doble función: regular el balance de agua del embrión durante la germinación, y proporcionar reservas que se utilizan para el crecimiento temprano de las plántulas (por ejemplo, alholva). Un endospermo inusual es el de la semilla de la palma de coco, en la parte que permanece acelular y líquida. En las gimnospermas, el megagametofito haploide, un tejido materno que persiste después de la fertilización del óvulo, rodea al embrión y es el nutriente más importante.

1.2.3 Testa (semillero) La variabilidad en la anatomía de la testa es considerable, y se ha utilizado de manera laxa para distinguir diferentes géneros y especies. Por lo tanto, una discusión de la gama de estructuras de cobertura de semillas está más allá del alcance de todas las monografías, excepto las especializadas. La testa es de considerable importancia para la semilla porque, a menudo, es la única barrera protectora entre el embrión y el ambiente externo (en algunas especies, la capa frutal, e incluso la cubierta). 1.3 Reservas de almacenamiento de semillas el manto de la semilla lleva una cicatriz, llamada hilio, que marca el punto en el que se unió al hongo. En un extremo del hilio de muchas capas de semillas se puede ver una pequeña depresión, el micropilo. Se pueden desarrollar pelos o alas en la testa para ayudar en la dispersión de semillas (por ejemplo, en el sauce, el lirio, Epilobium spp.); por lo general, las estructuras de dispersión son una modificación de la capa de fruta que lo envuelve. Como una atracción para las aves y los animales, para ayudar en su dispersión (Sección 7.1), la capa externa de la testa en algunas semillas puede ser carnosa y de color, y luego se denomina sarcotesta, mientras que la capa interna es rígida y protectora (por ejemplo, Zxwiia y Taxus spp., Ginkgo). Se producen brotes de la región del hilio: el estrofiole, que restringe el movimiento del agua dentro y fuera de algunas semillas, y el arilo. A menudo contienen productos químicos, por ejemplo, aceites que atraen a las hormigas, que se llevan las semillas para su posterior consumo y las dispersan (Art. 7.1). En semillas de varias especies, por ejemplo, ricino y otros miembros de la Euphorbinceae, el arilo se asocia con el micropilo y se llama carúnculo; también puede contener aceites y ser importante en la dispersión. Los aros son variables en forma, formando perillas, bandas, crestas, oráculos, y a menudo son de colores brillantes. Algunos tienen valor comercial; el de la nuez moscada se utiliza como fuente de la maza de la especia, mientras que la capa de la semilla contiene diferentes productos químicos y se muele para obtener la especia que lleva el nombre de la semilla misma. 1.3 Reservas de almacenamiento de semillas Alrededor del 70% de todos los alimentos para el consumo humano provienen directamente de semillas (principalmente de cereales y legumbres), y una gran proporción del resto se deriva de animales que se alimentan de semillas. No es sorprendente, por lo tanto, que exista una gran cantidad de literatura sobre la composición química, estructural y nutricional de las semillas de las especies cultivadas, ya que constituyen una parte tan grande de nuestra fuente de alimentos y también proporcionan muchas materias primas para la industria. La información sobre semillas de especies silvestres y progenitores silvestres de nuestros cultivos es relativamente escasa. Pero con el creciente interés en nuevas fuentes de alimentos y en la mejora de la diversidad genética dentro de las líneas domesticadas, las semillas de plantas silvestres están recibiendo más atención. Además de los componentes químicos comunes a los tejidos vegetales, las semillas contienen cantidades adicionales de sustancias almacenadas como fuente de reservas de alimentos para apoyar el crecimiento temprano de las plántulas. Estos son principalmente carbohidratos, aceites y proteínas. También están presentes más compuestos menores, pero sin embargo importantes; de éstos, varios son reconocidos como nutricionalmente indeseables o incluso tóxicos (por ejemplo, alcaloides, lectinas, inhibidores de la proteinasa, fitina y oligosacáridos de la familia de la rafinosa[RFO]). La composición química de las semillas está determinada en última instancia por factores genéticos y, por lo tanto, varía ampliamente entre las especies y sus variedades y cultivares. Algunas modificaciones de la composición pueden ser el resultado de prácticas agronómicas (por ejemplo, la aplicación de fertilizantes nitrogenados, las fechas de siembra) o pueden ser impuestas por las condiciones ambientales que prevalecen durante el desarrollo y maduración de las semillas; pero tales cambios suelen ser relativamente menores. Mediante el cruce y la

selección, los fitomejoradores han podido manipular la composición de muchos cultivos de semillas para mejorar su utilidad. Estructura y composición Tabla 1.2 Las reservas alimentarias de semillas de algunos cultivos importantes Composición porcentual media Proteína Aceite Carbohidrato* Región de almacenamiento principal Cereales Cebada 12 3' 76 Endospermo Maíz abollado (maíz) 10 5 80 Endospermo Oals 13 8k 66 Endospermo Arroz 7 3 75 Endospermo Centeno 12 2 76 Endospermo Trigo 12 2 75 Endospermo Legumbres Habas 23 1 56 Cotiledones Guisantes de jardín 25 6 52 Cotiledones Cacahuetes 31 48 12 Algodones Soja 37 17 26 Cotiledones Otros Alubia de ricino 18 64 Endospermo insignificante Palma aceitera 9 49 28 Endospermo Pino 35 48 6 Megagametofito Violación 21 48 19 Cotiledones Los porcentajes son aproximados y varían entre cultivares y con condiciones de retención durante el desarrollo de las semillas. Por ejemplo, hay cultivares de soja que producen más de 40% de proteína y 20% de aceite, y bajo condiciones de alta fertilización nitrogenada y condiciones climáticas favorables el trigo puede producir hasta 16% de proteína. En la mayoría de los cereales los aceites se almacenan dentro del escutelo, un tejido embrionario, con menos en la capa de aleurona, pero en la avena está presente también en el endospermo almidonado, y en algunos cultivares hasta un 11-18% del peso del grano". Más recientemente, con el advenimiento de la ingeniería genética, se han realizado inversiones considerables para modificar y mejorar la calidad y cantidad de las reservas almacenadas (Cap. 3). Los recolectores modernos de muchos cereales y leguminosas almacenan cantidades sustancialmente mayores de material de reserva que los cultivares anteriores o sus progenitores silvestres. Aun así, algunas deficiencias nutricionales aún no han sido rectificadas; por ejemplo, la composición de las proteínas de almacenamiento de legumbres y cereales es tal que no proporcionan todos los aminoácidos requeridos por los animales de estómago simple (monogástricos) como los humanos, los cerdos y las aves de corral (Sección 1.3.3). En la Tabla 1.2 se encuentran algunas indicaciones de las diferencias en las reservas de semillas almacenadas constituyentes; se anota el importante tejido de almacenamiento dentro de cada semilla. En muchas semillas, las reservas almacenadas pueden encontrarse tanto en tejidos embrionarios como extra-embrionarios, pero en diferentes proporciones, por ejemplo, en los cereales el mayor contenido de almidón y proteína se encuentra en el endospermo, pero el aceite está presente en el embrión (scutellum). En las semillas de alholva, por ejemplo, el endospermo es la fuente exclusiva de carbohidratos (como el galactomanano de la pared celular), pero los cotiledones contienen la proteína y los aceites. Las reservas 1.3 Reservas de almacenamiento de semillas

puede distribuirse de manera desigual en cualquier tejido de almacenamiento; en el grano de maíz, existen regiones ricas en proteínas de arco (endospermo córneo) y regiones ricas en almidón (endospermo espinoso) dentro del endospermo. También pueden existir diferencias químicas dentro de una especie en relación con la distribución de cualquier reserva en particular: en rapaces, el aceite en los cotiledones y el hipocotilo contiene diferentes proporciones de ácido erúcico y palmítico. Cada una de las principales reservas será ahora considerada en mayor detalle, junto con una breve descripción de algunos de los componentes menores presentes en las semillas. El capítulo 3 trata de la deposición de los muñones de las principales reservas almacenadas, y en él se tratará más a fondo su composición química y localización. 1.3.1 Carbohidratos Los carbohidratos constituyen las principales reservas de almacenamiento de la mayoría de las semillas cultivadas como fuente de alimento (Tabla 1.2). El almidón es el carbohidrato más comúnmente presente en las semillas, aunque las hemicelulosas asociadas a la pared celular pueden estar presentes, y a veces constituyen la mayor reserva de carbohidratos. También están presentes con frecuencia los oligosacáridos de la familia (o serie) de la raflinosa (ORP, ORS), cuyas proporciones varían entre especies, a menudo hasta un 2-6% del peso seco de la semilla. Otros carbohidratos que se encuentran en los lugares donde no se almacenan forman celulosa, pectinas y mucílagos. (1) El almidón se almacena en semillas en dos formas relacionadas, amilosa y amilopcctina; ambos polímeros de arco de glucosa. La amilosa es un polímero de cadena recta de unas 10010, (XX) unidades de glucosa en longitud: arco de moléculas de glucosa adyacentes unidas por enlaces gluco-lateral (Fig. 1.2a). La amilopcctina es mucho más grande (102-10' limas); consiste en muchas cadenas de amilosa unidas mediante enlaces a( 1 -" 6) para producir una molécula con múltiples ramificaciones, siendo cada cadena de la rama de 6-80 residuos de glucosa de longitud (Fig. 1.2a). El almidón se sintetiza en plásticos no sintéticos llamados amiloplastos, que contienen de uno a muchos gránulos de almidón. Los gránulos se componen típicamente de anillos concéntricos densos (de unos pocos cientos de nm de espesor) intercalados con zonas amorfas menos densas (cada combinación es un "anillo de crecimiento"). La amilopectina, presente de forma muy ordenada en las regiones densas, contiene grupos de hélices dobles alineadas de amilopectina, que alternan con regiones lamelares menos compactas (juntas constituyen la "región cristalina") (Figs. 1.2b, 3.9). Se cree que las cadenas del amiloscopio están intercaladas en la amilopectina de la matriz y residen en las zonas amorfas en las que existen formas menos organizadas de esta última. La mayoría de los gránulos están compuestos de aproximadamente 70-75% de amilopectina y 20-25% de amilosa. Algunos mutantes de cereales tienen un contenido de amilosa superior o inferior a la media, y los gránulos de almidón de mutantes cerosos de maíz carecen de este polímero; esto significa que la estructura del almidón granular no depende de la presencia de amilosa. En los guisantes arrugados, la amilosa representa dos tercios o más del almidón, en comparación con aproximadamente un tercio en los guisantes lisos y otras legumbres. Los gránulos de almidón pueden tener una apariencia característica de una especie individual y pueden ser predominantemente esféricos (cebada), angulares (maíz) o elípticos (frijol del corredor).

1 Estructura y composición

fig. 1.2 a) La composición química de la amilosa y la amilopectina. b) Micrografía electrónica de barrido que muestre la periodicidad regular (varios cientos de nm) de los anillos de un gránulo de almidón. Se muestran las estructuras helicoidales dobles y simples de amilopectina y amilosc. Para más detalles sec Zeeman ct al. (2010). Cortesía de S.C. Zeeman, Instituto de Ciencias Vegetales de Zurich, Suiza (frijol del corredor). La diversidad de tamaño, morfología y composición de los gránulos refleja las diferentes propiedades funcionales y, por lo tanto, los usos finales del almidón. El tamaño del grano es muy variable, de 2 a 100 um de diámetro, incluso en la misma semilla. En el endospermo de centeno troquelado, por ejemplo, hay grandes granos ovalados de almidón que tienen una longitud de hasta 40 µm.

1.3 Reservas de almacenamiento de semillas

KIr. 13 (a) Micrografía electrónica de barrido de gránulos de almidón grandes y pequeños en el endospermo de grano de cebada. A la izquierda y a la derecha inferior de la micrografía se ve la pared celular de color más claro. Cortesía de K. brismar, Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Alnarp. b) Micrografía ligera de una célula de endospermo de ricino en la que se observa un amplio empaquetado de cuerpos oleosos alrededor de vacuolas de almacenamiento de proteínas más grandes (cuerpos proteínicos, PH) C, cristaloide (proteína); G, globoide (fitina); M, matriz (proteína); N, núcleo; CW, pared celular fina. Cortesía de J. S. Greenwood, Univ. Guelph de diámetro; también comieron numerosos granos más pequeños de menos de 10 um de diámetro incrustados en una fina red de proteína citoplasmática. En la cebada, los granos esféricos de almidón se pueden separar en dos grupos, los grandes y los pequeños (Fig. 1.3a). Aunque estos últimos representan alrededor del 90% del número total de granos, sólo representan el 10% del almidón total en peso. El almidón es el carbohidrato más importante en la dieta humana; tiene multitud de usos tanto en la industria alimenticia como en la no alimenticia, pero su funcionalidad varía con su composición relacionada con el contenido de amilosa y amilopectina, ya que esto afecta su capacidad de gelatinización a temperaturas específicas. Los almidones gelatinizados con un alto contenido de amilosa forman geles firmes (una propiedad útil en pudines, sopas, rellenos de pasteles y aderezos para ensaladas, por ejemplo) y películas fuertes y resistentes (para recubrimientos de papel y adhesivos). Los almidones de alto contenido en amilosa también se conocen nutricionalmente como "almidones resistentes" porque escapan a la digestión en el intestino de los seres humanos sanos, por lo que es deseable que aumenten el contenido de fibra de la dieta. Los almidones bajos en amilosa, el almidón más frecuente en los alimentos, no retroceden cuando se congelan y, por lo tanto, se pueden utilizar en pudines, tartas y costras en los alimentos congelados. El almidón de maíz es ahora modificado industrialmente para hacer jarabe de maíz de alta fructosa, y es una fuente "verde" para la conversión a etanol. (2) Las hemicelulosas son la forma principal de carbohidratos almacenados en algunas semillas, particularmente en ciertas leguminosas endospermica. Por lo general, el almidón está ausente en los tejidos donde las hemicelulosas están presentes en cantidades apreciables en las paredes celulares; no hay cuerpos de almacenamiento de hemicelulosa. El endospermo de la palma de nuez de marfil, la palma datilera y el arco del café es extremadamente duro debido a las hemicelulosas establecidas como paredes celulares muy gruesas. En varias semillas "duras", el endospermo alrededor de la mayor parte del embrión (endospermo lateral) está compuesto de células con paredes muy gruesas y rígidas, mientras que en el endospermo micropilar cercano a la radícula (que eventualmente emergerá para completar la germinación) las paredes son delgadas y más fácilmente penetrables (Fig. 1.4a-c). Muchas de las hemicelulosas son mananos, es decir, polímeros de cadena larga de manosa.

Estructura y composición

Fig. 1.4 (a) Semillas disecadas transversalmente de sen chino que muestran el embrión incrustado en el endospermo duro, (h) células laterales del endospermo con paredes gruesas y carbón de semillas hacia el exterior, (c) endospermo de Micmpylar con células de pared delgada adyacentes a la radícula. Co: cotiledón; R, radícula; LEn, endospermo lateral; MFji, endospermo micelar; Sc, capa de semillas. Barras de escala: a, 2 mm; b y c 100 pm. De Gong et ul. (2005). Con permiso de Oxford Univ. Press, (d) Structure of galactomannan, showing the f)l ->4 linkages in the mannose backbone and al ->6 to the galactose side-chains (Hombre, enlazado por pi - "4 bonos) con cantidades variables pero pequeñas de azúcar presentes como cadenas laterales, por ejemplo, galactosa (Gal, enlazada por al->6 bonos) en galactomananos (Fig. 1.4d). El número de cadenas laterales Gal afecta la consistencia del galactomanano; varía de ser muy duro en los mananos casi puros (mananos de café). 1.3 Reservas de almacenamiento de semillas contienen 2% de Gal) a ser mucilaginoso a un contenido mucho mayor de Gal. Dentro del Leguminosac, la relación Hombre:Gal también puede tener un significado taxonómico. Los galaclomananos de algarroba y semillas de guar son muy importantes comercialmente, con muchos usos incluyendo en alimentos procesados como hidratantes, espesantes y estabilizantes; como espesantes en pastas dentales, tintes para alfombras y telas y cosméticos; como componentes de la matriz hidrófila de medicamentos farmacéuticos para ayudar a la liberación controlada de (agente activo de mentira; como mantillo biodegradable para la hidrosiembra; e incluso en las industrias minera y de explosivos como impermeabilizantes para dinamita en barra. Los glucomananos, en los que se repiten las unidades de glucosa y de Hombre en una cadena lineal unida por eslabones pi ->4, se dan sólo en el endospermo de ciertas monocotiledóneas, en concreto las de los miembros de los grupos Liliaceac e Iridaceac. También son componentes de paredes celulares engrosadas. Otras hemicelulosas incluyen los xiloglucanos, que,

estrictamente, deberían llamarse galacloxiloglucanos ya que son moléculas sustituidas de tipo celulósico, es decir, una columna vertebral de glucosa lineal a(l - "4)-linkcd con cadenas laterales de xilosa corta (algunas con una Gal adjunta). Están presentes en las paredes celulares de ciertos embriones de dicotiledóneas (cotiledóneas) y endospermos, como en los miembros de las Cesalpinoideae, una subfamilia del Leguminosac, por ejemplo, el tamarindo. Los xiloglucanos en las paredes celulares también han sido llamados "amiloides" porque reaccionan positivamente a una mancha de almidón. En algunas hierbas silvestres, como el Bracliypodium distachyon, la pared celular del endospermo tiene un alto contenido de glucano mezclado (|J-1 -> 3,1 -*4 glucanos), junto con cantidades menores de celulosa y xilanos, que es varias veces más que la cantidad de almidón de almacenamiento presente; por lo tanto, es probable que la pared sea la principal fuente de carbohidratos de almacenamiento. (3) Arco de azúcares libres presentes en cantidades muy variables en semillas de diferentes especies. Raramente constituyen el principal hidrato de carbono almacenado, pero pueden representar hasta un 12-16% de (la masa seca de los ejes de algunas leguminosas (por ejemplo, altramuces, soja); sin embargo, en otras especies, especialmente los cereales, puede haber menos del 1%. La sacarosa disacárida y los oligosacáridos rafinosa, estaquiosa y verbascosa (miembros de la ORP, sección 5.3) son los azúcares libres más comunes presentes. Son importantes para los embriones de muchas semillas como fuente de sustrato respirable durante la germinación y el crecimiento temprano de las plántulas, pero también juegan un papel en la tolerancia a la desecación y la slorabilidad de las semillas; aquellas con una proporción de sacarosa superior a 1.0 con respecto a las ORP que tienen un período de viabilidad más corto durante el almacenamiento de la semilla seca madura que aquellas con una proporción menor. Las ORP son de interés para la nutrición humana y de los animales domésticos, ya que no son digeridas ni absorbidas en el tracto intestinal superior. En cambio, son degradados por la flora microbiana del colon, produciendo H2 y COr. Esto causa flatulencia, y la expulsión de estos gases puede tener consecuencias embarazosas y malolientes. Un gran número de diferentes ciclitoles (por ejemplo, mioinositol, c/u'/o-inositol, pinitol, ononilol) y sus respectivos derivados galactosílicos (galactinol, fagopirilol, galacto-pinitol y ciceritol, galactosil ononitol) también están presentes en las semillas, especialmente en las de las leguminosas, pero con pocas excepciones (por ejemplo, las de las leguminosas), sarraceno, garbanzos y ricino) representan sólo una pequeña proporción del contenido total de oligosacáridos. Su papel en la semilla no está claro, pero pueden contribuir como antioxidantes, sustratos respirables y protectores del estrés de la misma manera que las ORP. 1 Estructura y composición 1.3.2 Aceites (Lípidos neutros) Químicamente, los lípidos de almacenamiento de semillas son triacyglyceroles (TAGs, anteriormente llamados triglyceroides), la mayoría de los cuales son líquidos por encima de los 20°C; algunas semillas pueden contener cantidades apreciables de fosfolípidos, glicolípidos y esteroles también. Los TAGs son insolubles en agua pero solubles en una variedad de solventes orgánicos incluyendo éter, cloroformo y benceno. Ellos forman un arco de ésteres de glicerol y ácidos grasos, con el segundo unido a la columna vertebral del primero: CHjOOCR1

I r2cooch

I CH2OOCR3

El número de átomos de carbono en cada una de las cadenas de ácidos grasos, denotadas como R', R2, y R\ no suele ser el mismo. Los ácidos grasos se identifican según el número de átomos de carbono y dobles enlaces en su cadena, aquellos con -12-18C se denominan ácidos grasos de cadena larga (LCFA), y con más (han 18C, ácidos grasos de cadena muy larga (VLCFA)). Los ácidos grasos saturados contienen un número par de átomos de carbono y ningún enlace doble; por ejemplo, el ácido palmítico (16:0;

16 átomos de carbono: ningún enlace doble) es el ácido graso saturado más común en los aceites de semillas. Pero los ácidos grasos predominantes en las semillas son los insaturados; de éstos, el oleico (I8:1A9; un doble enlace en la posición 9 de la cadena de ácidos grasos) y el linoleico (18:2A9,12, con dos dobles enlaces en las posiciones 9 y 12) representan más del 60% en peso de todos los aceites en los cultivos de semillas oleaginosas, siendo el ácido a-linolénico (18:3A9,12,15) mucho menos abundante. La posición del doble enlace (A) en la cadena de ácidos grasos se especifica contando desde su extremo carboxílico (-COOOH) (el condensado con la espina dorsal de glicerol). Los ácidos grasos menos comunes son el ácido erúcico (22:1 A13), un componente de algunos aceites de colza (aunque en la actualidad casi se ha eliminado de la mayoría de los productos de desecho comerciales, por ejemplo, canola, porque tiene un sabor y olor desagradables) y el aceite de Crambe abyssinica; ácido ricinoleico (12-hidroxi 18:1A9), el principal componente del aceite de ricino (frijol); ácido eicoscnoico (20:1 AS), que representa el 60% del total de los ácidos grasos de las semillas de la espuma de prado; y ácido petroselínico (18:1 A6), que representa el 85% del total de los ácidos grasos de las semillas de la Umbclliferae. Los aceites que contienen tales ácidos grasos son importantes porque (son las materias primas para productos tales como lubricantes, productos farmacéuticos, combustibles biodiesel, cosméticos y jabones, plásticos, carbón y pinturas. El aceite de cacao, con su disposición única de ácidos grasos en la espina dorsal de glicerina, se utiliza para producir cacao en polvo y mantequilla, y de ahí el chocolate. Los lípidos de almacenamiento de la jojoba son inusuales en el sentido de que son ésteres de cera de ácidos grasos insaturados de cadena larga y alcoholes, no TAGs, y son líquidos. Son una fuente importante en la fabricación de cosméticos debido a su similitud con el aceite de cachalote, y de surfactantes, productos farmacéuticos y lubricantes de alta presión. También se utiliza una nomenclatura diferente para la posición de los dobles enlaces en los ácidos grasos, especialmente en la industria alimentaria. En este caso, la posición del doble 1.3 Reservas de almacenamiento de semillas tabla 1-3 Porcentajes de los principales ácidos grasos futuros en los aceites de diversas semillas de importancia comercial Species Cotton Linseed (Max)

Palmitic (16:0) 27

Stearic (18:0) 3

Oleic (18:1) 17

-

-

-

Maize

12 44 12 5

2 39 2

Oil palm Peanut Rapeseed (Canola) Soybean Sunflower Animal fat (lurd)

24 4 50 55

Linoleic (18:2) 52 77 61 10 31 25

2 11 6 29

3 4 13

Linolenic (18:3) 0 17 <1 0 0 12

22 26 43

54 64

8 0 0.5

10

El porcentaje de ácidos grasos en un aceite se determina genéticamente, pero existen pequeñas variaciones entre cultivara y levadura de cosecha dependiendo de las condiciones de crecimiento en el campo. Los aceites de muchas especies también contienen otros ácidos grasos en cantidades bajas (0.5-5%), a menudo uno o más de C20:0, C22:0, C22:l y C24:0. se denota como el más cercano al extremo terminal metilo (-CH3. a) del ácido graso, opuesto al extremo carboxilo. Los ejemplos más comunes son los ácidos grasos omega-3 y omega-6 (oj-3, ao-6), siendo el ácido linoleico un ácido graso o>-6, y el ácido a-lino-lénico un o>-3. Estos arcos también se conocen como ácidos grasos esenciales porque no pueden ser sintetizados por los seres humanos y deben ser obtenidos en la dieta. Las composiciones de ácidos grasos de los aceites y grasas de algunas especies importantes de cultivos (principales semillas oleaginosas) se muestran en la Tabla 1.3. Tanto el aceite de maíz como el de girasol se utilizan ampliamente para cocinar y en la margarina. Entre sus propiedades deseables para este propósito está su alto contenido de ácido linoleico. La hidrogenación catalítica de los aceites de semillas cambia su punto de fusión y reduce su contenido de ácido linolénico. Este ácido graso triunsaturado se oxida fácilmente durante el almacenamiento de

alimentos y produce sabores desagradables. El grado de insaturación que queda después de la hidrogenación determina si una grasa o aceite es un sólido a temperatura ambiente (necesario para la margarina) o un líquido (aceite de cocina). La hidrogenación variable del aceite de cacahuete produce mantequilla de cacahuete de diferentes consistencias. La ventaja de usar aceites vegetales sobre las grasas animales en la dieta es que, debido a su mayor contenido de ácidos grasos insaturados (poliinsaturados) después de la hidrogenación, se supone que reducen la aterosclerosis, una afirmación que no está totalmente justificada en los exámenes médicos. Las grasas como la manteca de cerdo (Tabla 1.3) de origen animal tienen un alto contenido de ácido oleico, y la hidrogenación provoca una rápida saturación del doble enlace por molécula. Los aceites de secado, como los utilizados en pinturas y lacas (por ejemplo, el aceite de linaza de lino y el aceite de colza), contienen un alto contenido de ácido linolénico después de su procesamiento. Al exponerse al aire se produce una reacción de polimerización de radicales libres, iniciada por el oxígeno, que reticula los aceites para formar una película resistente, atrapando el pigmento coloreado en su lugar. Hay muchas semillas oleaginosas "menores", llamadas así porque tienen poco impacto en la economía mundial de semillas oleaginosas (por ejemplo, neem, almendra, Jatropha curcas, frijol tonka); se cultivan por la composición distintiva de ácidos grasos de sus aceites, y son útiles como aceites culinarios y en cosméticos, jabones, medicinales, pesticidas, surfactantes y lubricantes. Se está considerando la posibilidad de expandir la producción de algunas especies, o de transferir genes relevantes para la síntesis de sus aceites útiles a los principales cultivos. Las reservas de TAG en las semillas se establecen en orgánulos subcelulares discretos llamados cuerpos oleaginosos (también llamados cuerpos lipídicos, oleosomas, esferosomas o, en la jojoba, cuerpos de cera). Su tamaño oscila entre 0,2 y 6 p.m. de diámetro, según la especie; están unidas por una membrana fosfolípida monocapa en la que se insertan varias proteínas únicas, especialmente oleosinas. El tamaño del cuerpo del aceite se correlaciona típicamente con la cantidad de oleosina asociada. Estos ayudan en la estabilización de la membrana y también son importantes durante el secado de la maduración para evitar la coalescencia de los cuerpos de aceite. En semillas con alto contenido de aceite, los cuerpos de aceite ocupan un volumen sustancial de la célula, como en el endospermo de la semilla de ricino (Fig. 1.3b). La ontogenia de estos cuerpos se discute más adelante hacia el final de la Secta. 3.2.3. 1.3.3 Proteínas Las proteínas (polipéptidos) son polímeros de aproximadamente 20 aminoácidos diferentes, y pueden estar compuestos de una sola cadena (péptido) o de varias cadenas asociadas de tamaños similares o diferentes. Estos pueden estar ligados por enlaces de hidrógeno relativamente débiles (no covalentes), o por enlaces de disulfuro (-S-S-S-) fuertes y covalentemente ligados entre residuos de cisteína (enlaces entre cadenas); también se producen enlaces entre cisteínas de la misma cadena de polipéptidos. El tamaño de la proteína se determina en gran medida por su contenido de aminoácidos y se expresa como peso molecular (MW o Mr, por ejemplo, 45.000) o más comúnmente como masa molecular, en kiloDaltonos (por ejemplo, 45 kDa). La carga neta de una proteína (positiva o negativa) depende de su composición de aminoácidos, resultando en un punto isoeléctrico distinto (pi). Muchas proteínas, especialmente las de almacenamiento, están codificadas por varios genes (familia multigénica) y presentan pequeñas diferencias en la masa pi y molecular (isozimas). El tamaño de algunas proteínas también se ve afectado por la adición postransmisional de azúcares (glicoproteínas), metilo o grupos de fosfilos; las proteínas codificadas por un solo gen, pero que difieren de esta manera, se denominan isoformas. Desde finales del siglo XIX, la clasificación de T. B. Osborne se ha utilizado para dividir las proteínas de semillas en cuatro clases en relación con su solubilidad: (1) albúminas solubles en agua y diluidos a buffers pHs neutros; (2) globulinas solubles en soluciones salinas pero insolubles en agua; (3) glutelinas solubles en soluciones ácidas o alcalinas diluidas; (4) prolaminas (prolaminas) solubles en alcoholes acuosos (70-90%). Sin embargo, no todas las proteínas se adhieren a estos parámetros de solubilidad, y las glutelinas son en efecto

prolaminas con enlaces internos de disulfuro; por lo tanto, ya no se consideran como una clase de solubilidad separada. Las prolaminas se dividen ahora en 3 subclases separadas: Rico en S, pobre en S y de alto peso molecular (HMW). La solubilización de algunas proteínas requiere procedimientos de extracción rigurosos (por ejemplo, hervir en un tampón que contenga el detergente sulfato de sodio y dodecilo[SDS], o un agente caótropo como la urea). Las prolaminas son una clase de proteína de almacenamiento en cereales y pastos, pero no forman una fracción válida en otras especies; están ausentes de las semillas de dicot y gymnospenn. 1.3 Reservas de almacenamiento de semillas Tabla U Clases de proteína de almacenamiento presentes en semillas y granos de algunos cultivos de importancia comercial 2S albuminas 7-8S globulinas ll-IZS globulinas Prolaminas Componente Leguminosas Legumbres Legumbres cereales principal en Algodón Algodón Cucurbitáceas Composites Palmas Compuestos Alubias de ricino Avena, arroz Brassicas Nuez Brassicas de Brasil Componente Cereales Cereales mayoría de los Avena, arroz menor en: cereales No existen genes para las globulinas 7S en las Brassicas (por ejemplo, la colza) ni en los compuestos como el girasol. Modificado de Shewry y Casey (1999) Cereal Albumina Globulin Prolamin Cebada 13 12 75 (hordein, hordenin) Maíz 4 2 85 (zein) Avena 11 70 (avenalin) 20 (avenina) Arroz con leche 5 60"(oryzenin) 20 (orizina) Sorgo 6 10 80" Rueda 9 5 85 (gliadina, glutenina) Confusamente, esta proteína también se llama glutelina debido a las similitudes en la estructura y secuencia de esta globulina con las de las prolaminas del tipo de glutlina matriz. Esto ha sido llamado kafirín, pero debido a las connotaciones desagradables de parte de esta palabra, se requiere un nombre más adecuado (tal vez sorghin). Suele haber varias o muchas proteínas (que constituyen una clase particular, variando en tamaño y carga, por ejemplo, en el trigo (aquí se incluyen al menos dos tipos de cada una de las gluteninas de alto y bajo peso molecular, y tres tipos de gliadina (u.y., a, de las cuales la última contiene 6 subtipos). El contenido porcentual de cada clase y tipo de proteína de almacenamiento variará un poco con el estado nutricional y ambiental de la planta madre durante el desarrollo del grano. Para una descripción detallada de la complejidad de las proteínas de almacenamiento de semillas, véase Shewry y Casey (1999). La mayoría de las investigaciones sobre estas diversas clases de proteínas se han llevado a cabo en proteínas de almacenamiento en las semillas comestibles de las especies de cultivos, siendo una proteína de almacenamiento aquella cuya función principal es almacenar C, N y S para apoyar el crecimiento temprano de las plántulas muertas. Las proteínas de almacenamiento principales y secundarias en granos o semillas de algunos minerales de cultivos de importancia comercial enumerados en la Tabla 1.4, y las proporciones aproximadas de las principales clases de proteínas de los cereales se muestran en la Tabla 1.5, junto con sus nombres de uso común. La principal proteína de almacenamiento en los endospermos de la mayoría de los cereales, por

ejemplo, el maíz, la cebada, el centeno, el trigo y el sorgo, es del tipo prolamina, mientras que las globulinas predominan en la avena y el arroz. Las globulinas son las proteínas de almacenamiento de los embriones de cereales, pero como tales representan sólo una proporción muy pequeña de la proteína de reserva total del grano entero; asimismo, en la capa de aleurona las proteínas de almacenamiento son típicamente globulinas y representan alrededor del 25% del peso seco de este tejido. La composición de aminoácidos de Estructura y composición Cuadro 1.6 Composición de aminoácidos de las prolaminas en el maíz, la cebada y el trigo, y de las globulinas muertas de avena y soja (fracciones 7S y 1 IS) Soja EM aminoácido Maíz (zein) Cebada Oats 7S (fl(glicinina) (hordein) (avenalin) conglycinina) alanina 113 3.0 6.0 3.7 6.2 Arginina 1.7 2.6 6.6 8.8 5.6 Ácido 3.9 1.9 9.2 14.1 11.7 aspártico Cisteína* 1.9 2.9 l.l 0.3 0.6 Ácido 20.7 31.8 19.1 20.5 21.4 glutámico Glicina 3.8 3.2 7.5 2.9 7.5 Histidina 2.1 1.2 2.2 1.7 1.7 Isoleucine* 2.9 4.1 4.8 6.4 4.1 Leucine* 15.3 7.4 7.4 7.8 7.0 l-ysinc* 0.2 1.0 2.9 7.0 3.9 Metionina* 1.9 0.6 0.9 0.3 13 Fenilalanina* 3.8 5.2 5.2 7.4 4.6 Prolina 13.0 20.1 4.9 4.3 6.5 Serina 5.9 4.9 7.0 6.8 6.0 Treonina* 3.2 2.5 4.1 2.8 3.8 Triptófano* 0.3 1.0 0.3 0.8 Tirosina* 3.9 2.6 3.5 3.6 2.7 Valina 4.5 5.1 6.4 5.1 5.2 Los valores de ácido glutámico y ácido aspártico incluyen glutamina y asparagina, respectivamente Basado en datos de Shewry y Casey (1999) y Derbyshire cl al. (1976) Todos los valores expresados en % molar Aminoácidos esenciales que deben ser suministrados en la dieta de los animales porque son incapaces de sintetizarlos. las fracciones de proteína total presentes en granos de cereales seleccionados y en una legumbre (tabla 1.6) están fuertemente influenciadas, lo que no es sorprendente, por la naturaleza de la principal proteína de almacenamiento. Las albúminas y las globulinas no son muy deficientes en aminoácidos específicos y, por lo tanto, desde el punto de vista nutricional, la avena es una buena fuente de proteínas alimentarias, especialmente para el ganado reproductor. Sin embargo, en los granos normales de cebada y maíz, donde las prolaminas son altas, la lisina es seriamente limitante; el triptófano es bajo y el contenido de treonina es nutricionalmente inadecuado. Las prolaminas son altas en prolina y ácido glutámico/glutamina; de ahí su nombre. Se ha intentado modificar la composición de aminoácidos de los cereales ricos en prolamina, como el maíz y la cebada, y en particular aumentar su contenido de lisina (punto 3.2.4.2).

Característicamente, las proteínas de almacenamiento son oligoméricas; es decir, la proteína completa (holoproteína) está compuesta por dos o más subunidades que pueden separarse, después de la extracción, utilizando condiciones ligeramente disociadoras. A su vez, estas subunidades pueden estar formadas por varias cadenas de polipéptidos, que pueden variar en su composición de aminoácidos entre subunidades "homólogas". Esta variación resulta en una considerable heterogeneidad de la proteína nativa. Por ejemplo, la fracción de prolamina del maíz consiste en proteínas de masa molecular entre 10 y 27 kDa, llamadas a-, p-, 6-, e y-zeinas, de las cuales la Las clases a de 19 y 22 kDa representan aproximadamente el 70% del total. Incluso dentro de los a-zeins, sin embargo, puede haber muchos (40-50) polipéptidos distintos con pequeñas variaciones en su composición de aminoácidos, lo que indica que están codificados por una familia multigénica; para los a-zeins se calcula que hay hasta 100 genes (aunque algunos pueden ser seudogénicos intraducibles porque hay muchos más genes que polipéptidos diferentes). Probablemente sólo existen genes únicos (unigenes) para los otros tipos de zein. Una complejidad similar se muestra en la prolamina gliadina del trigo, que se puede separar en cuatro tipos de proteínas de componentes principales (S-ricos a, p, y, y S-pobre ca), compuestas de al menos 46 polipéptidos discretos. Esta gran variación en los polipéptidos componentes también se encuentra en las gluteninas de trigo y en las prolaminas de otros cereales. Por lo tanto, la mayoría de las proteínas de almacenamiento no deben considerarse como una sola proteína, sino más bien como un complejo de proteínas individuales unidas entre sí por una combinación de grupos de disulfuro intermoleculares, enlace de hidrógeno, enlace iónico y enlace hidrofóbico. Las semillas de leguminosas son la segunda fuente de proteínas vegetales más importante, a nivel mundial, después de los cereales. Desde el punto de vista nutricional, son generalmente deficientes en los aminoácidos que contienen S (cisteína y metionina), pero a diferencia de los granos de cereales, su contenido de lisina es adecuado (Cuadro 1.6). Las principales proteínas de almacenamiento son las globulinas, que representan hasta el 70% del nitrógeno total de las semillas. Las globulinas consisten en dos grandes familias de proteínas que difieren en masa molecular y que se sedimentan durante la ullacentrifugación con coeficientes de sedimentación (valores Svedberg o S) de aproximadamente 7 (promedio 7-8) y 11 (promedio 11-13). Por lo tanto, se denominan las proteínas 7S (grupo de la vicilina) y 1 IS (grupo de la leguminosas); ambas son holoproteínas compuestas de subunidades ensambladas de forma irregular. Característicamente, las proteínas 7S son glicosiladas (glicoproteínas), pero el 1 IS sólo en raras ocasiones. Las globulinas de almacenamiento de 1 IS se presentan como complejos hexaméricos de 320400 kDa compuestos de 6 subunidades no idénticas (52-65 kDa). Cada subunidad contiene un polipéptido ácido (pi-6.5) de 33-42 kDa y un polipéptido básico (pi-9) de 19-23 kDa. Los polipéptidos ácidos y básicos están unidos por una sola unión de disulfuro (Fig. 1.5). En comparación con el 1 IS, las globulinas de almacenamiento 7S tienen estructuras más variadas. Están presentes en semillas como complejos triméricos de 145-190 kDa, compuestos por 3 polipéptidos no idénticos de 48-83 kDa. En algunas leguminosas, por ejemplo, el guisante, estos polipéptidos más grandes se someten a una serie de clivajes proteolíticos después de su ensamblaje como trimer, para variar en tamaño de 12 a 75 kDa (Tabla 1.7). En otras especies, como la soja, la alfalfa y Phaseolus vulgaris, no se produce ningún procesamiento proteolítico. La mayoría, si no todas las proteínas 7S carecen completamente de cisteína y por lo tanto los polipéptidos no están unidos por enlaces de disulfuro. Otros ejemplos de las complejidades de la composición del polipéptido de la subunidad de las proteínas de almacenamiento de leguminosas 7S y 11S se presentan en la Tabla 1.7. Aunque en cantidades relativamente menores en comparación con las proteínas de almacenamiento globular, las albúminas 2S están invariablemente presentes en las semillas de dicotiledóneas. Su masa molecular oscila entre 10 y 15 kDa; no son glicosilados, están compuestos por varios polipéptidos y proceden de familias multigenéticas. Las de algunas especies son ricas en aminoácidos que contienen S (por ejemplo, la nuez de Brasil y dos de las

13 albúminas en girasol), y han sido de interés con respecto a la ingeniería genética de semillas para mejorar su contenido de proteína S. Todas las proteínas de almacenamiento, a pesar de su gran diversidad de composición y tamaño, se derivan de un único gen ancestral que codifica unos 30 aminoácidos. Triplicación de

Fig. 1.5 Componentes de una proteína de almacenamiento de 1 IS (leguminosa) afectada por un tampón de extracción alto en sal y el agente reductor (l-mercaptoelhanol (ME). La holoproteína está compuesta por 6 subunidades, cada una de las cuales contiene un polipéptido ácido (A) y un polipéptido básico (H) unidos por un enlace de disulfuro (-S-S-S-). Durante la extracción en un tampón alto en sal, la proteína se disocia en sus subunidades individuales de 60 kDa debido a la interrupción de los enlaces electrostáticos no covalentes que los mantienen unidos. Estas subunidades se disocian aún más en sus polipéptidos de componente 40 y 20 kDa en presencia de ME. que interrumpe los enlaces de disulfuro entre cadenas. Después de Krochko y Bewley (1988) Thble 1.7 Composición de la subunidad de las proteínas de almacenamiento de globulina de las semillas de leguminosas Especie Coeficientes de Nombre de la Subunidades de sedimentación holoproteína masa molecular aproximados (S) (kDa) Guisante de jardín 7-8 Vicilina 12, 14,18,24,30,50,75 12-13 Legumina 18. 20.25,27. 37,40 Habas 7 Vicilina 31,33,46.56 11-14 Legumina 20,37 judía verde 65-7.5 Glucoproteína II (G2, 43.47,53 P-faseolina) 11 Ol 30, 32,34 Alfalfa, alfalfa 7 Alfín 14.16.20,32,38,50 11 Medicagin 59, 63,64,65,67.69 Soja 7-8 (1-Conglycinina 42,57 Especie 12 Glicinina 19, 37,42 este gen dio lugar a tres regiones en la proteína (A, B, C) y, con el paso del tiempo, las delaciones, inserciones y varias repeticiones de secuencias de base en una o más de estas regiones han dado lugar a las diferentes clases y tipos de proteínas en las semillas de las especies actuales. 1.3 Reservas de almacenamiento de semillas El arco de las proteínas de almacenamiento de semillas generalmente se deposita dentro de un organelo celular especial llamado vacuola de almacenamiento de proteínas (PSV, por sus siglas en inglés), anteriormente denominado cuerpo proteínico. Estos varían en diámetro de 0,1 a 25 p.m. y están rodeados de un arco, al menos durante el desarrollo, por una membrana procedente del sistema celular cndotmembranc (Seel. 3.2.4.1). En los tejidos de

almacenamiento maduros y secos de algunas semillas, por ejemplo, ciertos endospermos de cereales, la membrana está incompleta o ausente, dejando la proteína dispersa en el citoplasma. Sin embargo, esto es relativamente poco común. Algunos PSVs tienen un arco simple en el sentido de que consisten en una matriz de proteínas rodeada por una membrana limitante. Sin embargo, las inclusiones ocurren con frecuencia, particularmente de cristaloides y glóbulos y, más raramente, de cristales de drusas (oxalato de calcio). Los cristaloides son inclusiones proteínicas insolubles en agua o en tampón incrustadas en la matriz de proteínas solubles; por ejemplo, en el ricino (Fig. 1.3b) el cristaloide es una proteína insoluble de 1 IS, y la matriz está compuesta de proteínas solubles de 2S y 7S, incluidas las lectinas. Los globos arquean los sitios de deposición de la filina-las sales de potasio, magnesio y calcio del ácido fítico (Sección 1.3.4). Los PSVs de la capa alcu- rone de la cebada también contienen carbohidratos, pero en una unidad distinta del globoide, conocida como cuerpo de proteína-carbohidratos. Varias enzimas pueden estar presentes dentro del PSV en semillas maduras, y durante la movilización de la reserva se agregan otras enzimas para que eventualmente se conviertan en una vacuola autolítica (Secc. 5.8.3). Los PSV pueden contener sólo un tipo de proteína de almacenamiento. En ciertas legumbres, por ejemplo, algunas contienen sólo albúmina o vicilina o legumina, aunque la mayoría parecen contener tanto vicilina como legumina. Cuando hay más de una proteína en el mismo PSV, su distribución puede ser desigual, por ejemplo, en el endospermo de maíz la principal proteína de almacenamiento, la a-zeína, se deposita centralmente en el PSV y está rodeada por una fina capa de P- y y-zeína (Fig. 3.16). Los PSVs en la capa de aleurona de este y otros cereales contienen principalmente albúminas y globulinas, aunque en el maíz hay una pequeña cantidad de prolamina presente. No todas las proteínas de almacenamiento de semillas tienen propiedades nutricionalmente deseables. Los inhibidores de enzimas (sección 5.8.4) pueden reducir la eficacia de las enzimas que degradan los alimentos en el tracto digestivo de los animales. Las lectinas, que suelen ser glicoproteínas, tienen la capacidad de unirse a la superficie de las células animales, causando a veces aglutinación (particularmente de los eritrocitos), por ejemplo, la concanavalina A en las semillas de frijol común: por lo tanto, el arco de las lectinas a veces se llama fitohemagglutininas. Esto es probablemente superfluo en lo que respecta a la semilla, y muchas lectinas son inocuas desde el punto de vista nutricional. Sin embargo, algunas lectinas son altamente tóxicas, incluyendo la ricina D de la semilla de ricino y la abrina del guisante de rosario, las cuales son mezclas de toxinas no aglutinantes y aglutininas no tóxicas. Cualquier efecto tóxico de las lectinas puede generalmente ser eliminado mediante un tratamiento térmico adecuado; por ejemplo, la harina de ricino puede ser alimentada como suplemento proteico para el ganado después de la extracción del aceite de ricino y la curación adecuada. La mandelonitrilo liasa (MDL) es una glicoproteína secuestrada en los PSVs del endospermo de las semillas de cereza negra, y es una enzima involucrada en la degradación del disacárido cianogénico, la amigdalina. Puede ser importante en esta y otras semillas cya- nogcnic en la producción de HCN para la protección cuando los tejidos se arquean dañados por patógenos. Muchas semillas contienen proteínas que pueden formar parte de sus mecanismos de defensa contra plagas y depredadores, por ejemplo, las especies silvestres de Phaseolus vulgaris contienen la glicoproteína arcclin, que confiere resistencia contra algunos escarabajos brucicj, mientras que las semillas de las especies domésticas parecen tener dicha resistencia conferida por un 1.3.4 Phytin La fitina (myo-inositol-6-phosphatc, InsP6 o IP^) es la sal mixta insoluble de potasio, magnesio y calcio del ácido hcxafosfórico (ácido fítico), y aunque está presente en cantidades relativamente menores en comparación con las reservas principales mencionadas anteriormente, es una fuente importante de semillas de fosfato y elementos minerales. Además, el hierro, el manganeso, el cobre y, más raramente, el sodio se encuentran en algunas fuentes de fitina (Tabla 1.8).

La fitina se encuentra exclusivamente dentro del globoide (Fig. 1.3b) en algunos, pero no en todos los P$Vs de una semilla, ni la composición de los clementos minerales de la fitina es la misma en todas las células, por ejemplo, el calcio se encuentra en las cantidades más altas en los globoides de las regiones radicular e hipocítica del embrión dicotiledón, pero muy poco, si es que hay alguno, de este clemento está presente en los de los cotiledones. Los globos forman estructuras globulares no cristalinas y son los que más comúnmente se incluyen en los PSV, aunque varían tanto en tamaño como en número. En algunas especies, los globoides están presentes en los PSV de una región de una semilla pero no de otra; por ejemplo, los PSV de la capa de alcurona (granos de alcuronc) y los del esculcro de los granos de cereales suelen contener globoides, pero los del endospermo almidonado nunca lo hacen. El ácido fítico y sus conjugados se consideran en general indeseables desde el punto de vista nutricional si .3 Reservas de almacenamiento de semillas Tabla 1.8 Contenido de los principales elementos inorgánicos de la fitina en las semillas de varias especies y su ubicación Especie (y Mg Ca K P Fe Mn Cu ubicación) Cebada 0.16 0.03 0.56 0.43 (A. E) Habas (O 0.11 0.05 1.13 0.51 Algodón 0.4 0.13 2.18 0.79 0.059 0.005 0.005 (C) Avena (A, 0.4 0.19 l.l 0.96 0.035 0.006 0.005 E) Soja (C) 0.22 0.13 2.18 0.71 Faith Girasol 0.4 0.2 1 1.01 (C) Una capa de alcurona. Embrión E, incluyendo el escutelio. Cotiledón C (puede haber pequeñas cantidades en el eje radicular/hipocotilo). Valores de arco expresados como % del peso seco de la semilla La variabilidad en el contenido de iones minerales ocurre entre cultivares y líneas de la misma especie, y también está influenciada por el contenido mineral del suelo en el que se cultiva la planta madre A fter Weber y Neumann (1980) ser liberados por acción microbiana y entrar en el agua de escorrentía, provocando la proliferación de algas en estanques y arroyos (eutrofización). La fitina en los granos que se dan a los animales, especialmente a las aves de corral, provoca el adelgazamiento de los huesos al unir el calcio, hasta el punto de que sus patas no son capaces de soportar el peso del ave. Se está intentando reproducir líneas de granos de baja fitina, así como reducir el contenido de fitina mediante ingeniería genética (Sección 3.2.5). Un enfoque novedoso del problema ha sido la ingeniería de cerdos con fosfatasas que degradan la fitina (fitasas) en su saliva. 1.3.5 Otros componentes Existe una gran cantidad de componentes menores presentes en las semillas que no pueden considerarse estrictamente como componentes de almacenamiento, ya que no se utilizan durante la germinación o el crecimiento posterior. Algunos, sin embargo, merecen ser mencionados brevemente debido a sus aplicaciones médicas (Tabla 1.9), aunque muchos de ellos también tienen efectos nocivos sobre los seres humanos y los animales domésticos. Ciertos alcaloides, que son sustancias nitrogenadas no proteínicas, son importantes fuentes comerciales de estimulantes y drogas, por ejemplo, la teobromina del grano de cacao, la cafeína del café y el cacao, la estricnina y la salmuera de Strychnos nux-vomica (presente en un 2,5% del peso seco de la semilla), y la morfina de ciertos tipos de amapola. La fitotigmatina del grano de Calabar se

usó en Nigeria en juicios por ordalía, en los que se trataba de beberla como veneno (si, en raras ocasiones, el acusado sobrevivía, esto se tomaba como un veredicto de inocencia). En la naturaleza, estos compuestos pueden impedir que los insectos y los animales utilicen una semilla como alimento. Los alcaloides vicina y convicina de los frijoles faba (habas) causan anemia hemolítica (favismo) cuando se encuentran en la dieta de individuos, en su mayoría hombres, en las poblaciones del Mediterráneo oriental y Oriente Medio. Fitoesteroles como los sitosteroles y estigmasteroles están presentes en algunas semillas, por ejemplo, en la soja. Este último es importante desde el punto de vista farmacéutico porque puede convertirse en la hormona esteroide animal, la progesterona. Ciertos aminoácidos no proteínicos pueden estar presentes en cantidades considerables en algunas semillas; por ejemplo, la canavanina, que es tóxica tabla 1.9 Ejemplos de compuestos farmacológicamente activos en semillas y sus usos Tipo químico Compuesto Uso farmacológico Fuente de semillas Alcaloide de purina Cafeína Estimulación del Café, cola, cacao Alcaloide Tropano Hiosciumina SNC* Kelaxunt, Thomupple Calabar Alcaloide de indole Fitostigmina reducción de bean Crocus otoñal Alcaloide de otros Colchicina náuseas Inhibidor de Mucuna spp., faba alcaloides L-DOPA* la colinesterasa bean Digitalis spp. Aminoácidos/amina Digoxina Tratamiento Glucósido cardíaco Esculina antimitótico y Glucósido de antiinflamatorio de saponina Glucósido la enfermedad de de saponina Parkinson Fortalecimiento de los latidos del corazón Reducción de la inflamación de las venas varicosas Basado en un artículo de P.J. Houghton sobre productos farmacéuticos y compuestos farmacológicamente activos en The Encyclopedia of Seeds. Ciencia. Technology and Uses, Black et al. (2006) ■Central sistema nervioso kL-dihidroxi-L-fenilalanina Se extrae en su mayor parte de las hojas, pero está presente en la semilla. para algunos herbívoros, representa el 8,3% del peso seco de las semillas de la leguminosa Dioclea megacarpa, el hidroxitriplofano representa el 14% del peso seco de Griffonia, y la dihidroxifenilalanina (L-DOPA) representa el 6% de las semillas secas de Mucuna. Estos aminoácidos son probablemente movilizados por la semilla como fuente de nitrógeno después de la germinación. Los glucósidos son componentes de sabor más fuerte de algunas semillas, por ejemplo, la amigdalina de las almendras, los melocotones y las ciruelas y la esculina del castaño de indias; algunos, como la saponina de las semillas de tung, pueden ser mortales para los seres humanos y los animales. La amigdalina extraída de los albaricoques adquirió cierta notoriedad cuando se promocionó como laetrilo (o erróneamente como "vitamina B17") como una cura para el cáncer. Esto ha sido refutado como un ejemplo de "curanderismo" médico; alarmantemente, puede causar envenenamiento fatal por cianuro. Los compuestos fenólicos como la cumarina y el ácido clorogénico, y sus derivados, y los ácidos ferúlico, cafeico y sinápico se encuentran en las capas de muchas semillas. Estos pueden inhibir la germinación de la semilla que los contiene o, al ser lixiviados en el suelo, pueden inhibir las semillas vecinas (una forma de alelopatía). Otro inhibidor de la germinación presente en muchas semillas es el ácido abscísico (ABA), y también hay promotores de la germinación y sustancias de crecimiento como las giberelinas (GAs), citoquininas (CKs) y auxinas.

Referencias bibliográficas útiles Algunas publicaciones avanzadas sobre semillas Baskin CC, Baskin JM (1998) Seeds. Ecología, biogeografía y evolución de la latencia y germinación. Academic Press, San Diego. (Relación detallada de la ecología de las semillas, la diversidad y las respuestas al medio ambiente) Basra AS (ed) (2006) Handbook of seed science and technology. Food Products Press, Nueva York, Londres, Oxford (Trabajo de varios autores sobre aspectos fundamentales y aplicados de las semillas)