clase 10 fisiología semilla
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Fisiologa de la Semilla
G. P. V. G.
1 G. P.V.G
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Estructura del tema
1. Concepto, desarrollo y estructura de la
semilla.
2. Concepto de germinacin. Viabilidad y
longevidad.
3. Conceptos. Semillas recalcitrantes y
semillas ortodoxas.
4. Factores que condicionan la viabilidad.
Aspectos bioqumicos de la
germinacin. Imbibicin. Respiracin.
Movilizacin de reservas.
5. Origen y evolucin de la semilla 2
G. P.V.G
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1. CONCEPTO, DESARROLLO
Y ESTRUCTURA DE LA
SEMILLA
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1.1 Concepto
Es la unidad fundamental de propagacin sexual, dispersin, diseminacin y perpetuacin.
Resultado de las diversas transformaciones que ocurren en el vulo, luego de la fecundacin.
Consiste en una estructura que contiene al embrin y las sustancias de reserva rodeada por la cubierta seminal.
300 surgimiento gimnospermas (semillas desnudas) y 180 y 65 angiospermas (semillas en frutos)
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G. P.V.G 5 http://www.trnres.com/ebook/uploads/chimalmonroy/T_13033851885Chimal-Monroy.pdf
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Chalaza
(2n)
(n) (n)
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1.2 Desarrollo de la semilla.
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Desarrollo y maduracin
La formacin de la semilla se inicia con la embriognesis del
cigoto y la diferenciacin de los tejidos.
GNOM
Monopteros (mp)
SHORT ROOT (SHR)
SCARECROW (SRC)
HOBBIT
(HBT)
suspensor
AG3
citoquininas
Auxinas
AIA
LEA
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Estructura de la semilla
Mantener unidas las partes internas de la semilla.
Proteger las partes internas contra el choque y la abrasin.
Servir como barrera contra la entrada de microorganismos a la semilla.
Regular la velocidad de rehidratacin de la semilla.
Normalizar el intercambio gaseoso.
Inhibir la germinacin, causando dormancia. Dispersin
Semillas derivadas de distintos tipos de vulos A, vulo antropo (Cucurbita sp.); B, vulo campiltropo (Phaseolus sp.)
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Composicin de las reservas alimenticias y su principal rgano de almacenamiento. P indica el porcentaje de protenas, L el de lpidos y Ch
el de carbohidratos (modificado de Bewley y Black, 1982).
Composicin promedio Principal
Especies (% de peso seco) rgano de P .L. Ch. Almacenamiento
Zea mays maz 11 5 75 almidn endospermo
Zea mays - maz dulce 12 9 70 almidn endospermo
Avena sativa avena 13 8 66 almidn endospermo
Triticum aestivum trigo 12 2 75 almidn endospermo
Secale cereale centeno 12 2 76 almidn endospermo
Hordeum vulgare cebada 12 3 76 almidn endospermo
Vicia faba haba 23 1 56 almidn cotiledn
Linum usitatissimum lenteja 24 36 24 almidn cotiledn
Pisum arvense chcharo 24 6 56 almidn cotiledn
Arachis hypogaea cacahuate 31 48 12 almidn cotiledn
Glycine max soya 37 17 26 almidn cotiledn
Gossypium spp. algodn 39 13 15 cotiledn
Citrullus vulgaris sanda 38 4 85 cotiledn
Bertholletia excelsa nuez del Brasil 18 6 86 radcula, hipoctilo
Elaeis guineensis coquito 9 49 28 endospermo
Phoenix dactilifera dtil 6 9 58 endospermo
Ricinus communis - ricino 18 64 trazas endospermo
Pinus pinea pino 35 4 86 megagametofito 9 G. P.V.G
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Almacenamiento de reservas
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Almacenamiento de reservas
Coffea arabicca
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http://www.geochembio.com/IMG/corn-kernel-anatomy.png
Perispermo
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Tipo Nuclear Algodn, maz,
Celular petunias
Helobial
Funcin
Intermediario de la nutricin en la embriognesis,
germinacin y plntula
Control hormonal de crecimiento y diferenciacin en la
embriognesis
Restringir la emergencia de la radcula
Endospermo
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FORMACION DE LA
CUBIERTA SEMINAL Tegumentos del vulo encierran el gametofito
maduro.
Proliferacin de clulas se inicia despus de la
fertilizacin y finaliza 4 das despus
Proceso de elongacin y diferenciacin de la
testa
Formacin de protocianidinas (flavonoides)
(Oxidacin, proteccin, latencia y longevidad
delas semillas).
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Maduracin
Expansin celular,
Procesos anablicos para deposicin de reservas
Los nutrientes son transportados a travs del haz vascular (va simplstica)
que inerva al fruto y al vulo a travs del funculo
En la claza son descargados y baan las paredes celulares (Va apoplasto)
La maduracin se completa cuando la semilla alcanza el mximo
peso seco (madurez fisiolgica). Incremento de ABA,
acumulacin LEA. Genes del grupo I (p8B6) II(Rab16, Rab21,
D11) y III (B19,D132) ABSCISIC ACID
INSENSITIVE3(ABI3) and FUSCA3
Deshidratacin, 90% de su contenido de agua.
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Estructura y conservacin
Tolerancia a la desecacin (ortodoxas)
Disminucin de la respiracin
Incremento de carbohidratos y oligosacridos no
reductores
Incremento de dehidrinas (LEA protenas), ABA
Sensibles a la desecacin y temperatura
(recalcitrantes).
Deterioro de membranas
Desnaturalizacin de protenas
Reduccin tasa respiracin , ATP
Ms longevo menos contenido de humedad. 16 G. P.V.G
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Mecansmos de dispersin
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GERMINACIN
Semilla germinada cuando emerge la radcula.
La germinacin se inicia con la imbibicin del agua que da a lugar un metabolismo activo, iniciando la elongacin y divisin de las clulas.
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Germinacin de Semillas
Fase 1 imbibicin fsica.
Cuando el nivel de la
hidratacin excede del
60%.
El ndice de la hidratacin
retarda (fase 2) y los
nuevos mecanismos
fisiolgicos preparan la
alargamiento de clulas
embrionarias.
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Embebimiento y distribucin
del agua en la germinacin de
semillas de Tabaco
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"Water uptake and distribution in
germinating tobacco seeds investigated
in vivo by nuclear magnetic resonance
imaging" by Manz, Mller, Kucera,
Volke, Leubner-Metzger, Plant
Physiology 138: 1538-1551 (2005)
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AIA-dif tv
Proteinasas,
ribonucleasas,
b1,3 glucanasa
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Viabilidad de las semillas por el
mtodo del tetrazolium (TZ)
NADH ---- NAD + H Tetrazolium diaphorase
cloruro de 2,3,5-trifenil tetrazol 1,3,5 trifenil formazan
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La germinacin es afectada
por los factores intrinsecos Dormancia
Dormncia del embrin
Caractersticas estructurales de la cubierta
Permeabilidad de la testa al agua y el oxgeno
Obstruccin de la emergencia radcula por el endospermo
Inhibidores del embrin
Humedad de la semilla
Recalcitrantes
Ortodoxas
por factores ambientales
Disponibilidad de agua
Oxgeno
luz
Temperatura
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Dormancia
Semilla
formada
Medioambiente
, efectos
correlativos
genotipo
Dormancia
primaria
Semilla no
dormante
Dormancia
secundaria
Luz, temperatura,
despus de la maduracin
Luz,
temperatura,
anoxia
Semilla no
domante germinacin
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Causas de dormancia
A. Impermeabilidad al agua.
B. Baja permeabilidad a los gases.
C. Resistencia mecnica al crecimiento del embrin.
D. Permeabilidad selectiva a los reguladores del crecimiento.
E. Bloqueos metablicos
F. Presencia de inhibidores.
G. Embriones rudimentarios
H. Adquisicin de mecanismos inhibidores.
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LATENCIA EMBRIONARIA
Cuando un embrin extrado de la semilla es incapaz de
germinar bajo las condiciones adecuadas.
El control de este tipo de latencia lo ejercen por un lado los
cotiledones que inhiben el crecimiento del eje embrionario, y
por el otro, sustancias inhibidoras de la germinacin como el
cido abscsico.
En ocasiones el embrin est anatmicamente inmaduro y
requiere de un tiempo mayor para completar su desarrollo, como
en el caso del Fraxinus excelsior (fresno) y del Pinus sylvestris
(un tipo de pino).
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LATENCIA POR LA TESTA
Las estructuras responsables no slo incluyen a la testa sino tambin otras partes de la semilla como la gluma, la palea y la lemna en las gramneas y endospermo, pericarpio y testa.
La interferencia de la entrada de agua, causa principal de la latencia en las semillas de testa dura de las leguminosas, y otras como en especies de las Convolvulacea, Cannanacea, Chenopodiacea, Graminae, Malvaceae y Solanaceae.
En algunos casos, como el de Iris o Rosa, la testa contiene sustancias que inhiben la germinacin. Se puede provocar la germinacin lavando las semillas con gran cantidad de agua.
La incisin o perforacin de la testa remueve la latencia. Escarificacin
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CONTENIDO
DE HUMEDAD
DE LA
SEMILLA
El Contenido de Humedad representa la proporcin del peso de la semilla que corresponde a agua. Se expresa en porcentaje, indica el estado de conservacin de la semilla.
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Factores Extrnsecos
Luz
La gran mayora de las semillas que requieren luz para germinar presentan latencia impuesta por la testa. Esta acta como un filtro por el cual la luz tiene que atravesar.
Se estimulan cuando se establece cierta proporcin del fitocromo activo y del inactivo (fr, 730nm r, 660nm);
Las semillas con diferentes grosores de testa y diferentes pigmentaciones modifica la cantidad y calidad de luz que llega al embrin. Chenopodium album ,testa gruesa (49-53 m) slo germina el 27%,
44-99 m germina 47% y las ms delgadas (24-28 m) presentan una germinacin de 62%, cuando se exponen durante 15 minutos a la luz.
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Figura IV.3. A) Espectro de absorcin del fitocromo en sus formas Fr y Frl.. B) Fotoequilibrio del fitocromo resultado de la proporcin total de Frl / Fr. Es producto de las transformaciones fitoqumicas que se dan, ya que Fr y Frl absorben una cierta longitud de onda, ocurriendo transformaciones en ambos sentidos debido al sobrelapamiento en las curvas de absorcin de la figura (A) (tomado de Bewley y Black, 1982).
cido aminolevulnico
125 kDa
(kilodaltons),.
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Efecto de la luz
Figura IV.2. Efecto de varias longitudes de onda en el rompimiento de la latencia de
semillas de lechuga. irradiadas con suficiente luz roja (germinacin potencial de 50% en
el lote experimental). Despus fueron sometidas a luz de diferentes longitudes de onda y
se pusieron a germinar en la oscuridad. luz naranja-roja (600-700 nm) rompe la latencia y
promueve la germinacin, luz infrarroja (720-780 nm) principalmente, pero tambin la
azul (420- 500 nm), inhiben la germinacin (tomado de Bewley y Black, 1982
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Factores internos y externos que interactan modifican la respuesta de las semillas a la luz.
La presin osmtica
La presencia de promotores o inhibidores del crecimiento (AG3)
La tensin de O2, entre otros factores, pueden cambiar la duracin e intensidad de luz requerida para obtener cierta respuesta.
La latencia de la Betula pubescens puede romperse por el efecto de la luz o de la baja temperatura y en la Nicotiana tabacum por la luz o por la alternancia de temperaturas. Esta diversidad de posibilidades hace que la semilla tenga ms oportunidades de germinar en un ambiente heterogneo y cambiante.
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Factores extrnsecos
2 Temperatura
Muchas semillas, una vez imbebidas, requieren ser sometidas a temperaturas bajas o altas, antes de germinar en una temperatura adecuada. A este proceso se le denomina estratificacin y en l se llevan a cabo cambios metablicos en las semillas.
En muchos casos para que la estratificacin funcione depende a las condiciones naturales. Muchas semillas se producen en el otoo y pasan el invierno latentes, en el campo.
Algunas semillas requieren estratificacin a temperaturas altas. Especies anuales del desierto de Sonora necesitan un periodo a 50,C para incrementar el porcentaje de germinacin.
Hay otros casos que requieren alternancia de temperaturas, ya sea diaria o estacional. As, es frecuente que estos periodos con temperaturas diferentes a las que se requieren para germinar hagan que este proceso se alargue hasta que las condiciones para la plntula sean ms adecuadas. 34 G. P.V.G
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El efecto de la temperatura sobre las semillas secas, sin imbebir. Semillas de testa dura, son capaces de soportar altas temperaturas durante periodos prolongados de tiempo.
ambientes con fuegos frecuentes (altas
temperaturas). Acacia de Australia, Leguminosa Albizzia lophantha. Rhus ovata, habitante del chaparral de California, alcanza sus porcentajes ms altos de germinacin (30-34%) despus de 5-10 minutos a 100C.
Las semillas de cada especie pueden germinar dentro de un rango de temperaturas; sin embargo existe un punto ptimo.
As, la temperatura ptima es aquella bajo la cual se
obtiene el porcentaje ms alto de germinacin en el menor tiempo.
Las temperaturas mximas y mnimas de germinacin son las temperaturas ms altas y ms bajas en las cuales todava se produce germinacin.
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Rhus ovata
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A) Grficas de la germinacin de especies anuales que colonizan las dunas costeras de Gran Bretaa. Las de la izquierda muestran la germinacin con dos periodos alternantes de temperatura (5-15C, 10-20C y 15-25C); las de la derecha, los resultados obtenidos con temperaturas constantes (5C, 10C 15C y 25C). En ambos casos se usaron semillas colectadas haca 4 meses. B) Grficas de la prdida de sensibilidad a la temperatura conforme las semillas tienen mayor tiempo de haber sido colectadas. Muestran como las semillas de Aira praecox, con la edad, presentan respuesta a un rango ms amplio de condiciones incrementando el porcentaje de germinacin y la velocidad. Los resultados fueron obtenidos bajo temperatura constantes (5C, 10C, 15C y 25C) (modificado de Pemadasa y Lovell, 1975).
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Efecto de la temperatura
Especie: Agrostis alba
Temperatura (C) 12-21 21-28 21-35 12 21 35
% de germinacin: 69 95 95 49 53 79
Especie: Amaranthus greggi
Temperatura (C) 20-25 20-32 20-40 15 25 35
% de germinacin: 94 87 86 57 55 57
Especie: Sporobolus virginicus
Temperatura (C) 20-25 20-32 20-40 15 25 35
% de germinacin: 50 96 94 2 0 0
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3. Disponibilidad de Agua La semilla requiere de una pequea cantidad de agua para rehidratarse,
generalmente no ms de 2 a 3 veces su peso seco.
Son dos los factores que deben tomarse en cuenta al analizar el proceso de absorcin (llamado imbibicin) de agua por parte de la semilla:
1) las relaciones de la semilla con el agua
2) la relacin entre la semilla y el sustrato.
La cantidad de agua que absorbe y la velocidad con que lo hace estn determinadas por procesos fsicos de difusin y por las propiedades de los coloides.
En las semillas, el principal componente que se imbeba de agua son las protenas; tambin participan otros compuestos como los muclagos y la celulosa. La imbibicin en funcin de su morfologa. por el micrpilo (zona donde la testa es
ms delgada), ms que por toda la superficie de la testa (Vicia y Phaseolus). Testa dura e impermeable, mientras no se perfore la testa el agua no puede penetrar y por lo tanto las semillas permanecen latentes. En algunas de las leguminosas es necesario remover una protuberancia que funciona como una especie de tapn, llamada estrofiolo (Melilotus alba, Crotalaria egyptica).
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4. Oxgeno
Durante la germinacin las clulas gastan energa.
El requerimiento energtico se mantiene generalmente por procesos de oxidacin, en la presencia o ausencia de oxgeno (respiracin y fermentacin respectivamente).
Comprenden intercambio de gases, liberacin de CO2 En ambos casos y una entrada de O2 en el caso de la respiracin.
La germinacin es afectada por la composicin de los gases circundantes.
La mayora de las semillas germina en una atmsfera que contenga 20% de O2 y un bajo porcentaje de bixido de carbono (0.03%).
La mayora de las semillas presentar valores menores de germinacin si la tensin de oxgeno disminuye. En cambio, la mayora de las semillas no germinar si aumenta mucho la tensin del bixido de carbono.
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Influencia del Medio Ambiente de la
Planta Progenitora en la Latencia de
las Semillas
Las caractersticas germinativas de la semilla tienen un fuerte componente gentico que queda plasmado en las semillas durante su desarrollo. Al mismo tiempo, las condiciones del entorno a las que est sujeta la planta progenitora afectan dicho proceso e influyen en el tipo y grado de latencia de las semillas.
(Lactuca sativa y Stellaria media) producidas en momentos de temperatura baja presentaban una latencia ms profunda que las semillas producidas durante pocas ms clidas. Esto es tambin de gran importancia para el banco de semillas, pues dentro de una especie existen semillas con distintos requerimientos de germinacin.
As, no importar en qu poca del ao haya una perturbacin que promueva la germinacin de especies presentes en el banco de semillas, pues siempre habr semillas de las especies mencionadas que puedan germinar. Por tanto, la variabilidad de respuesta permite a la especie hacer frente a un medio ambiente cambiante y poco predecible. 40 G. P.V.G
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La duracin del da que experimenta la planta progenitora (especialmente durante los ltimos das de la maduracin de las semillas) afecta la latencia de algunas especies. Se ha observado que algunas especies del desierto presentan una correlacin entre la duracin del da y la permeabilidad de la testa.
Las condiciones de humedad ambiental que experimenta la planta progenitora durante la maduracin de las semillas tambin determina el grado de impermeabilidad de la testa.
Sin embargo, existe poca informacin sobre las consecuencias ecolgicas de esta relacin entre el progenitor y la progenie. Se desconoce el destino de muchas de estas semillas en el campo y por tanto su grado de sobrevivencia y xito reproductivo.
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42 G. P.V.G
385
ferns
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homosporia a heterosporia tejido materno las estructuras del polen y recipiente
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Seed
phylogenetic
tree based on
the internal
morphology of
embryo and
endosperm in
mature
angiosperm
seeds
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Angiosperm seed evolution depicted in a phylogenetic tree of the Angiosperm Phylogeny
Group II (2003)
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Sucrosa +UDP FRUCTOSA+UDPGLC + Ppi Glc -1-P + UTP
Glc -1-P+ATP ADPGlc + Ppi
CARBOHIDRATOS
El almidn es el principal representante de los carbohidratos como sustancia de reserva de la mayora de las semillas; tanto en las endospermadas como en los cotiledones de las
exendospermadas. Se deposita en foma de grnulos que varan de 2 a 100 micrmetros de dimetro en los amiloplastos de las clulas de reserva. Los granos de almidn estn
constitudos por capas concntricas alternativamente brillantes y mate que se depositan alrededor de un punto denominado hilo. Cada capa representa la cantidad de almidn
formada en 24 horas y en ellas se distinguen claramente dos zonas, pues el almidn que se deposita durante el da es ms denso y refringente que el que se deposita durante la noche.
El aumento promedio en dimetro es de 1 micrmetro por da. La variacin en tamao y forma del amiloplasto es caracterstica de la especie. Por ejemplo, en los porotos (Phaseolus
spp.) los grnulos son simples y elpticos, en las cebadas (Hordeum spp.) son esfricos de tamao variable, en el maz (Zea mays) son angulosos mientras que en la avena (Avena
sativa) y el arroz (Oryza sativa) se presentan granos de almidn compuestos.
El almidn forma parte del 65-70% del peso seco de los caripsides maduros. Durante la germinacin los granos de almidn son degradados a glucosa por enzimas que se
encuentran en la capa ms externa del endosperma de las gramneas (capa de aleurona) y as son movilizados para su utilizacin durante la germinacin. Sin embargo, el almidn no
es el nico polisacrido de reserva. Otros hidratos de carbono que se pueden encontrar en las semillas son las hemicelulosas, y en en menor proporcin (1-3%) se encuentran
azcares libres como glucosa o sacarosa. La pared celular, especialmente la de las clulas del pericarpo y del embrin pueden considerarse como un compartimento extra de
almacenaje de carbohidratos que posteriormente son utilizados durante la germinacin.
PROTENAS
Las protenas representan alrededor del 8-15% del peso seco de los granos de los cereales y el 40% en las semillas de las leguminosas. Las protenas se almacenan como cuerpos
proteicos slidos de 0,1 a 0,25 micrmetros de dimetro, rodeados por una membrana simple, pudiedo ser protenas enzimticas (metablicamente activas) o protenas de reserva. Se
encuentran en los cotiledones de las leguminosas (fabceas) y en la capa ms externa del endosperma (capa de aleurona) y en todo el endosperma de las gramneas (poceas)
rodeando a los grnulos de almidn y entre ellos. Los cuerpos proteicos varan en su composicin y pueden presentar inclusiones cristaloides o globoides y cristales de oxalato de
calcio como drusas. Durante la germinacin las protenas de reserva son degradadas a aminocidos.
Aproximadamente el 85% de las protenas presentes en los cereales al combinarse con el agua forman el "gluten". La propiedad visco-elstica del gluten determina la calidad de la
harina de trigo para la industria panadera, porque otorga a la masa capacidad para retener los productos de la fermentacin de las levaduras, mantenindose esponjosa. Por lo tanto, el
parmetro ms usado por los pases productores y exportadores de trigo para premiar su calidad es la protena. A partir de noviembre de 1995, en nuestro pas se implementa un
programa de bonificaciones que beneficia a los trigos que superen el 11% de contenido proteico. De este modo, se busca incentivar a los productores para aumentar los niveles de
calidad en la produccin triguera. Por otro lado, en la actualidad se ha comprobado que debido a cambios en los hbitos alimenticios, se ha incrementado la demanda de bizcochos y
galletas, en cuya produccin intervienen harinas que no necesitan de las propiedades panaderas. Dichas harinas provienen de los llamados trigos blandos (de bajo contenido de
protenas). Los principales pases productores de trigo como EEUU, Canad y Australia producen y exportan dichos granos. Si bien los estudios de mercado estaran indicando la
conveniencia en la incorporacin de trigos blandos en la produccin y exportacin para nuestro pas, an su produccin no est siendo impulsada.
LPIDOS
Las plantas almacenan lpidos en las semillas para actuar como fuente de energa en la germinacin. Los triglicridos constituyen los principales lpidos de reserva en las semillas de
especies oleaginosas donde se encuentran en concentraciones excepcionalmente elevadas como grasas o aceites, contenidos en los esferosomas de 0,2 a 6 micrmetros de dimetro.
Son la forma de reserva de energa ms eficiente ya que los carbonos en los cidos grasos (A.G.) estn ms reducidos que en los hidratos de carbono; por lo tanto la oxidacin de los
lpidos libera el doble de energa. El cido graso saturado ms abundante es el palmtico. Sin embargo, los cidos grasos insaturados oleico y linoleico (con dobles ligaduras) se
encuentran en mayor proporcin y representan alrededor de un 60% del total del aceite presente en las semillas oleaginosas. Como se aprecia en la tabla 1, los lpidos se acumulan
generalmente en los embriones, principalmente en los cotiledones como en el caso de man (Arachis hypogaea), soja (Glycine max), girasol (Helianthus annuus), jojoba
(Simmondsia chinensis). Los lpidos vegetales son importantes componentes de la dieta de humanos y animales. Adems, son de particular inters para la industria de pinturas,
lubricantes y cosmticos, que constantemente demandan aceites con una composicin especfica de cidos grasos. Por esta razn se ha desarrollado un inters en la modificacin de
la composicin de aceites mediante aportes del mejoramiento vegetal y la ingeniera gentica, como por ejemplo el girasol alto oleico. Recientemente se ha incorporado una nueva
alternativa en el uso industrial de los aceites vegetales, que es la produccin de combustibles ecolgicos. As naci el biodiesel que consiste en una mezcla compuesta por un 20% de
aceite vegetal (de girasol, soja, colza, etc.) quimicamente tratado y un 80% de gasoil.
Un aspecto a tener en cuenta es que un inadecuado almacenamiento de la semilla o un secado artificial incorrecto, puede desnaturalizar las protenas as como tambin perjudicar la
calidad del contenido lipdico de la semilla comprometiendo seriamente su calidad.
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