The response of four winter wheat (Triticum aestivum L.) varieties to field water deficit: leaf anti-oxidative protection and proteolytic activity

Introduction: Drought is one of the most significant factors that limit plant productivity. Oxidative stress is a secondary event in many unfavorable environmental conditions. Intracellular proteases have a role in the metabolism reorganisation and nutrient remobilization under stress. In order to under stand the relative significance of oxidative stress and proteolysis in the yield reduction under drought, four varieties of Triticum aestivum L. with different field drought resistance were examined. Methods: A two-year field experiment was conducted. Analyses were performed on the upper most leaf of control plants and plants under water deficitat the stages most critical for yield reduction under drought (from jointing till milk ripeness). Leaf water deficit and electrolyte leakage, malondyaldehyde level, activities and isoenzymes of superoxide dismutase, catalase and peroxidase, leaf protein content and proteolytic activity were studied. Yield components were analyzed. Results: A general trend of increasing the membrane in stability and accumulation of lipid hydroperoxides was observed with some differences among varieties, especially under drought. The anti-oxidative enzyme activities were progressively enhanced, as well as the azocaseinolytic activities. The leaf protein content decreased under drought at the last phase. Differences among varieties were observed in the parameters under study. They were compared to yield components` reduction under water deprivation.

Light intensity selectively influences the distribution and further redistribution of macro- and micronutrients in hydroponically grown wheat ( Triticum aestivum L.)

Investigations were focused on light effects on allocation of root-borne macronutrients (calcium, magnesium and potassium) and micronutrients (iron, manganese, zinc and copper) in roots, shoots and harvested grains of wheat (Triticum aestivum L.). Plants were exposed to low (100 μmol photons m−2 s−1) or high light (380 μmol photons m−2 s−1). High light stimulated both root and shoot growth. While the total contents per plant of some nutrients were markedly higher (calcium and potassium) or lower (copper) under high light, no major differences were observed for other nutrients. The distribution of nutrients and the further redistribution within the shoot were influenced by the light intensity in an element-specific manner. Nutrients were selectively directed to the leaves of the main shoot (low light) or to the tillers (high light). The quality of the harvested grains was also affected by the light intensity.

Respuesta productiva a diferentes programaciones de riego en trigo (Triticum aestivum L.) : región semiárida de Córdoba, Argentina

En la evaluación regional de riego con equipos presurizados, se observa que la mayoría de los establecimientos no hacen uso de programas de riego basados en necesidades hídricas, dando lugar a un uso inadecuado de los recursos hídricos. Por ello, en el presente trabajo se evalúa la producción de trigo (Triticum aestivum L.) bajo riego programado considerando las variables clima-suelo-cultivo. La experiencia se desarrolló en el campo experimental de la Universidad Nacional de Río Cuarto durante los ciclos 1999, 2000 y 2001. Se contó con la información climática de la estación meteorológica instalada en el lugar. En los ensayos se consideró un diseño estadístico en parcelas totalmente al azar con seis repeticiones. Los tratamientos fueron los siguientes: 1. sin riego; 2. reponiendo desde un umbral de marchitez incipiente hasta capacidad de campo; 3. reponiendo desde umbral de marchitez incipiente hasta un nivel que permita el aprovechamiento del agua de lluvia con un 75 % de probabilidad de ocurrencia; 4. riego sólo en el período comprendido entre las etapas fenológicas de macollaje y grano lechoso y 5. considerando el modelo de programación YACU. Los resultados de esta experiencia en los tres años considerados establecen una respuesta significativa al riego complementario, con una producción promedio de los tratamientos bajo riego de 4980 kg.ha-1 en 1999, 5895 kg.ha-1 en el 2000 y 6271 kg.ha-1 en el 2001, contra 3296 kg.ha-1, 4054 kg.ha-1 y 3197 kg.ha-1, respectivamente, para los tratamientos sin riego. Dentro de los tratamientos bajo riego, en los dos primeros años se obtuvieron valores significativamente menores en las parcelas regadas sólo entre macollaje y grano lechoso: 4704 kg.ha-1 en 1999 y 4973 kg.ha-1 en el 2000.

Caracterización del patrón de gluteninas de bajo peso molecular de trigo pan (Triticum aestivum L.) y su efecto sobre el potencial uso final de la harina

El trigo pan [Tritivum aestivum L.]tiene diversos usos en la industria alimenticia debido a las características particulares de la harina y es el ingrediente principal en la elaboración de pan, galletitas, productos de repostería, pastas frescas, etc. La calidad intrínseca de las harinas está influenciada por la cantidad y calidad de proteínas del gluten: Gluteninas de alto [HMW-Gs]y bajo peso molecular [LMW-Gs]y Gliadinas [Gli]. A su vez, la calidad reológica está afectada por factores ambientales y la relación Genotipo x Ambiente. Por lo mencionado, resulta importante conocer los efectos de los patrones proteicos sobre la calidad industrial de trigo pan y comprender la incidencia de la disponibilidad de Nitrógeno y temperaturas elevadas durante el llenado de los granos sobre las fracciones proteicas que componen el gluten y la reolgía de las masas. Se utilizaron proteinogramas [SDS-PAGE, unidimensionales]para la identificación proteica de 74 cultivares argentinos de trigo pan y el test de sedimentación [SDSS]para estimar la fuerza de gluten, como indicador de calidad intrínseca y para ver el efecto del ambiente se utilizaron 26 cultivares de trigo pan sembrados en el mismo sitio y con las mismas condiciones de manejo, en dos años [2008 y 2009]con temperaturas contrastantes durante el llenado de los granos y dos niveles de fertilización nitrogenada. La combinación total de las proteínas del gluten [HMW-Gs+LMWGs+Gli]tuvo más influencia sobre la calidad del gluten que cada fracción proteica en particular. En general, las altas temperaturas aumentaron la cantidad del Gli y la extensibilidad de las masas [L], en tanto que la disponibilidad de N incrementó todos los grupos proteicos, la fuerza [W]y la extensibilidad de la masa. Igualmente, se observó un efecto diferencial de dichos factores sobre los patrones proteicos y la calidad final, según la composición del gluten.

Soil water availability modulation over estimated relative yield losses in wheat (Triticum aestivum L.) due to ozone exposure

The approach developed by Fuhrer in 1995 to estimate wheat yield losses induced by ozone and modulated by the soil water content (SWC) was applied to the data on Catalonian wheat yields. The aim of our work was to apply this approach and adjust it to Mediterranean environmental conditions by means of the necessary corrections. The main objective pursued was to prove the importance of soil water availability in the estimation of relative wheat yield losses as a factor that modifies the effects of tropospheric ozone on wheat, and to develop the algorithms required for the estimation of relative yield losses, adapted to the Mediterranean environmental conditions. The results show that this is an easy way to estimate relative yield losses just using meteorological data, without using ozone fluxes, which are much more difficult to calculate. Soil water availability is very important as a modulating factor of the effects of ozone on wheat; when soil water availability decreases, almost twice the amount of accumulated exposure to ozone is required to induce the same percentage of yield loss as in years when soil water availability is high.

A PCR-based method for discriminating between high molecular weight glutenin subunits Bx7 and Bx7* in Triticum aestivum L

The correct assignment of high molecular weight glutenin subunit variants is a key task in wheat breeding. However, the traditional analysis by protein electrophoresis is sometimes difficult and not very precise. This work describes a novel DNA marker for the accurate discrimination between the Glu-B1 locus subunits Bx7 and Bx7*. The analysis of one hundred and forty two bread wheat cultivars from different countries has highlighted a great number of misclassifications in the literature that could lead to wrong conclusions in studies of the relationship between glutenin composition and wheat quality.

Estudio molecular de gluteninas de alto y bajo peso molecular en Triticum aestivum ssp. vulgare L. y su relación con la calidad panadera

El trigo blando (Triticum aestivum ssp vulgare L., AABBDD, 2n=6x=42) presenta propiedades viscoélasticas únicas debidas a la presencia en la harina de las prolaminas: gluteninas y gliadinas. Ambos tipos de proteínas forman parte de la red de gluten. Basándose en la movilidad en SDS-PAGE, las gluteninas se clasifican en dos grupos: gluteninas de alto peso molecular (HMW-GS) y gluteninas de bajo peso molecular (LMW-GS). Los genes que codifican para las HMW-GS se encuentran en tres loci del grupo 1 de cromosomas: Glu-A1, Glu-B1 y Glu-D1. Cada locus codifica para uno o dos polipéptidos o subunidades. La variación alélica de las HMW-GS es el principal determinante de de la calidad harino-panadera y ha sido ampliamente estudiado tanto a nivel de proteína como de ADN. El conocimiento de estas proteínas ha contribuido sustancialmente al progreso de los programas de mejora para la calidad del trigo. Comparadas con las HMW-GS, las LMW-GS forman una familia proteica mucho más compleja. La mayoría de los genes LMW se localizan en el grupo 1 de cromosomas en tres loci: Glu-A3, Glu-B3 y Glu-D3 que se encuentran estrechamente ligados a los loci que codifican para gliadinas. El número de copias de estos genes ha sido estimado entre 10-40 en trigo hexaploide, pero el número exacto aún se desconoce debido a la ausencia de un método eficiente para diferenciar los miembros de esta familia multigénica. La nomenclatura de los alelos LMW-GS por electroforesis convencional es complicada, y diferentes autores asignan distintos alelos a la misma variedad lo que dificulta aún más el estudio de esta compleja familia. El uso de marcadores moleculares para la discriminación de genes LMW, aunque es una tarea dificil, puede ser muy útil para los programas de mejora. El objetivo de este trabajo ha sido profundizar en la relación entre las gluteninas y la calidad panadera y desarrollar marcadores moleculares que permitan ayudar en la correcta clasificación de HMW-GS y LMW-GS. Se han obtenido dos poblaciones de líneas avanzadas F4:6 a partir de los cruzamientos entre las variedades ‘Tigre’ x ‘Gazul’ y ‘Fiel’ x ‘Taber’, seleccionándose para los análisis de calidad las líneas homogéneas para HMW-GS, LMW-GS y gliadinas. La determinación alélica de HMW-GS se llevó a cabo por SDS-PAGE, y se complementó con análisis moleculares, desarrollándose un nuevo marcador de PCR para diferenciar entre las subunidades Bx7 y Bx7*del locus Glu-B1. Resumen 2 La determinación alélica para LMW-GS se llevó a cabo mediante SDS-PAGE siguiendo distintas nomenclaturas y utilizando variedades testigo para cada alelo. El resultado no fue concluyente para el locus Glu-B3, así que se recurrió a marcadores moleculares. El ADN de los parentales y de los testigos se amplificó usando cebadores diseñados en regiones conservadas de los genes LMW y fue posteriormente analizado mediante electroforesis capilar. Los patrones de amplificación obtenidos fueron comparados entre las distintas muestras y permitieron establecer una relación con los alelos de LMW-GS. Con este método se pudo aclarar la determinación alélica de este locus para los cuatro parentales La calidad de la harina fue testada mediante porcentaje de contenido en proteína, prueba de sedimentación (SDSS) y alveógrafo de Chopin (parámetros P, L, P/L y W). Los valores fueron analizados en relación a la composición en gluteninas. Las líneas del cruzamiento ‘Fiel’ x ‘Taber’ mostraron una clara influencia del locus Glu-A3 en la variación de los valores de SDSS. Las líneas que llevaban el nuevo alelo Glu-A3b’ presentaron valores significativamente mayores que los de las líneas con el alelo Glu-A3f. En las líneas procedentes del cruzamiento ‘Tigre ’x ‘Gazul’, los loci Glu-B1 y Glu-B3 loci mostraron ambos influencia en los parámetros de calidad. Los resultados indicaron que: para los valores de SDSS y P, las líneas con las HMW-GS Bx7OE+By8 fueron significativamente mejores que las líneas con Bx17+By18; y las líneas que llevaban el alelo Glu-B3ac presentaban valores de P significativamente superiores que las líneas con el alelo Glu-B3ad y significativamente menores para los valores de L . El análisis de los valores de calidad en relación a los fragmentos LMW amplificados, reveló un efecto significativo entre dos fragmentos (2-616 y 2-636) con los valores de P. La presencia del fragmento 2-636 estaba asociada a valores de P mayores. Estos fragmentos fueron clonados y secuenciados, confirmándose que correspondían a genes del locus Glu-B3. El estudio de la secuencia reveló que la diferencia entre ambos se hallaba en algunos SNPs y en una deleción de 21 nucleótidos que en la proteína correspondería a un InDel de un heptapéptido en la región repetida de la proteína. En este trabajo, la utilización de líneas que difieren en el locus Glu-B3 ha permitido el análisis de la influencia de este locus (el peor caracterizado hasta la fecha) en la calidad panadera. Además, se ha validado el uso de marcadores moleculares en la determinación alélica de las LMW-GS y su relación con la calidad panadera. Summary 3 Bread wheat (Triticum aestivum ssp vulgare L., AABBDD, 2n=6x=42) flour has unique dough viscoelastic properties conferred by prolamins: glutenins and gliadins. Both types of proteins are cross-linked to form gluten polymers. On the basis of their mobility in SDS-PAGE, glutenins can be classified in two groups: high molecular weight glutenins (HMW-GS) and low molecular weight glutenins (LMW-GS). Genes encoding HMW-GS are located on group 1 chromosomes in three loci: Glu-A1, Glu-B1 and Glu-D1, each one encoding two polypeptides, named subunits. Allelic variation of HMW-GS is the most important determinant for bread making quality, and has been exhaustively studied at protein and DNA level. The knowledge of these proteins has substantially contributed to genetic improvement of bread quality in breeding programs. Compared to HMW-GS, LMW-GS are a much more complex family. Most genes encoded LMW-GS are located on group 1 chromosomes. Glu-A3, Glu-B3 and Glu-D3 loci are closely linked to the gliadin loci. The total gene copy number has been estimated to vary from 10–40 in hexaploid wheat. However, the exact copy number of LMW-GS genes is still unknown, mostly due to lack of efficient methods to distinguish members of this multigene family. Nomenclature of LMW-GS alleles is also unclear, and different authors can assign different alleles to the same variety increasing confusion in the study of this complex family. The use of molecular markers for the discrimination of LMW-GS genes might be very useful in breeding programs, but their wide application is not easy. The objective of this work is to gain insight into the relationship between glutenins and bread quality, and the developing of molecular markers that help in the allele classification of HMW-GS and LMW-GS. Two populations of advanced lines F4:6 were obtained from the cross ‘Tigre’ x ‘Gazul’ and ‘Fiel’ x ‘Taber’. Lines homogeneous for HMW-GS, LMW-GS and gliadins pattern were selected for quality analysis. The allele classification of HMW-GS was performed by SDS-PAGE, and then complemented by PCR analysis. A new PCR marker was developed to undoubtedly differentiate between two similar subunits from Glu-B1 locus, Bx7 and Bx7*. The allele classification of LMW-GS was initially performed by SDS-PAGE following different established nomenclatures and using standard varieties. The results were not completely concluding for Glu-B3 locus, so a molecular marker system was applied. DNA from parental lines and standard varieties was amplified using primers designed in conserved domains of LMW genes and analyzed by capillary electrophoresis. The pattern of amplification products obtained was compared among samples and related to the protein allele classification. It was possible to establish a correspondence between specific amplification products and almost all LMW alleles analyzed. With this method, the allele classification of the four parental lines was clarified. Flour quality of F4:6 advanced lines were tested by protein content, sedimentation test (SDSS) and alveograph (P, L, P/L and W). The values were analyzed in relation to the lines prolamin composition. In the ‘Fiel’ x ‘Taber’ population, Glu-A3 locus showed an influence in SDSS values. Lines carrying new allele Glu-A3b’, presented a significantly higher SDSS value than lines with Glu-A3f allele. In the ‘Tigre ’x ‘Gazul’ population, the Glu-B1 and Glu-B3 loci also showed an effect in quality parameters, in SDSS, and P and L values. Results indicated that: for SDSS and P, lines with Bx7OE+By8 were significantly better than lines with Bx17+By18; lines carrying Glu-B3ac allele had a significantly higher P values than Glu-B3ad allele values. lines with and lower L The analysis of quality parameters and amplified LMW fragments revealed a significant influence of two peaks (2-616 y 2-636) in P values. The presence of 2-636 peak gave higher P values than 2-616. These fragments had been cloned and sequenced and identified as Glu-B3 genes. The sequence analysis revealed that the molecular difference between them was some SNPs and a small deletion of 21 nucleotides that in the protein would produce an InDel of a heptapeptide in the repetitive region. In this work, the analysis of two crosses with differences in Glu-3 composition has made possible to study the influence of LMG-GS in quality parameters. Specifically, the influence of Glu-B3, the most interesting and less studied loci has been possible. The results have shown that Glu-B3 allele composition influences the alveograph parameter P (tenacity). The existence of different molecular variants of Glu-B3 alleles have been assessed by using a molecular marker method. This work supports the use of molecular approaches in the study of the very complex LMW-GS family, and validates their application in the analysis of advanced recombinant lines for quality studies.

Influencia de gluteninas LMW en la fuerza del gluten de variedades locales españolas de trigo panadero (Triticum aestivum ssp. vulgare L.)

Las prolaminas son las principales proteínas del endospermo de los trigos panaderos que están relacionadas con la calidad panadera. El objetivo de este trabajo es caracterizar gluteninas LMW según la nomenclatura de Liu et al y relacionarlas con la fuerza panadera

Evaluación de la calidad funcional y sensorial en cultivares de Triticum aestivum ssp. vulgare y ssp. spelta en cultivo ecológico

En esta Tesis Doctoral se ha estudiado la influencia del cultivar sobre el comportamiento reológico y panadero de cinco cultivares de trigo sembrados en el mismo año y en el mismo ambiente, en condiciones de cultivo ecológico. Tres de ellos eran de trigo panadero (Triticum aestivum ssp. vulgare), ‘Bonpain’, ‘Craklin’ y ‘Sensas’ y los otros dos de trigo espelta (Triticum aestivum ssp. spelta), ‘Espelta Álava’ y ‘Espelta Navarra’. Actualmente, el alohexaploide trigo panadero (2n=6x=42 genomio AABBDD) supone en torno al 90% del trigo cultivado en el mundo. En cambio, el cultivo del trigo alohexaploide espelta (2n=6x=42 genomio AABBDD) se limita a pequeñas regiones de Europa y de América del Norte. En España, el cultivo de trigo espelta se ha mantenido durante años ligado a la región de Asturias, aunque en la actualidad su cultivo está empezando a diversificarse hacia otras regiones. Esto se debe, fundamentalmente, a su potencial nutricional y a su adaptabilidad a condiciones de agricultura sostenible. El reciente resurgimiento de la espelta en productos de panificación, se debe, en gran parte, a la percepción del consumidor de que se trata de un producto ”más saludable” y “más natural” y con menor requerimiento de insumos que los trigos modernos. A medida que el consumo de alimentos a base de harina de espelta aumenta, se plantea la necesidad de evaluar su calidad harino-panadera, nutricional y sensorial en comparación con los productos elaborados con variedades de trigo común. Se caracterizaron las gluteninas de alto peso molecular (HMW) y las puroindolinas de los cinco cultivares. Se evaluó la calidad del grano, la reología de sus masas y se analizó la calidad instrumental y sensorial de sus panes. Para tal fin se ha puesto a punto un protocolo de panificación adecuado a las características particulares de los trigos espelta y se ha propuesto para el análisis sensorial de los panes un protocolo de selección, entrenamiento y validación de jueces. Teniendo en cuenta la composición en gluteninas HMW de los cultivares, se comprobó su influencia en el volumen de sedimentación y en la fuerza panadera. La composición en puroindolinas se vió reflejada en el parámetro dureza del endospermo. Los resultados indicaron que hay diferencias entre trigo panadero y trigo espelta en parámetros como, la tenacidad y el equilibrio de sus masas, la capacidad de absorción de agua de la harina y el comportamiento de la masa durante el amasado. Los trigos espeltas mostraron menor valor en el tiempo en alcanzar la presión máxima y la tolerancia al amasado, mientras que presentaron valores superiores en el decaimiento a los 250 y 450 segundos respectivamente. Respecto a la calidad de los panes elaborados, los trigos espeltas tenían mayor elasticidad en la miga y mayores valores en el área y en el diámetro de sus alveolos. Estas diferencias en la estructura y textura de la miga fueron también detectadas a nivel sensorial por el panel de jueces. Mediante el perfil sensorial descriptivo, se determinó que uno de los dos panes elaborado con trigo espelta (‘Espelta Navarra’) fue el pan más complejo considerando conjuntamente los atributos de aroma y flavor. En este trabajo no se apreciaron diferencias entre ambos tipos de trigo ni en el contenido en proteína, ni en minerales, ni en la viscosidad de su almidón. ABSTRACT In this Doctoral Thesis, the influence of various cultivars on rheological and baking behavior was studied. Five wheat cultivars were used, all planted in the same year and same organic farming environment. Three were bread wheat (Triticum aestivum ssp. vulgare), 'Bonpain', 'Craklin' and 'Sensas' and the other two were spelt wheat (Triticum aestivum ssp. spelta) , 'Espelta Álava' and 'Espelta Navarra' . Currently, the allohexaploid bread wheat (2n=6x=42 genome AABBDD) represents about 90% of global wheat production. On the other hand, allohexaploid spelt wheat (2n=6x=42 genome AABBDD) is merely produced in small areas of Europe and North America. For many years, the cultivation of spelt wheat in Spain was limited to the region of Asturias, although nowadays its production has begun to spread into other regions. This is owing to its nutritional potential and adaptability to conditions of sustainable agriculture. The recent resurgence of spelt in baking products is mainly due to consumers perception of it, as "healthier" and "more natural", and to the fewer agricultural input requirements compared to modern wheat products. As the consumption of foods made from spelt flour increases, there is a need to assess its baking, nutritional and sensory quality, compared to products made with common varieties of wheat. High molecular weight glutenins and puroindolines from the five cultivars were characterized. The quality of the grain and the rheology of the dough were evaluated and the instrumental and sensory quality of its breads were analyzed. To this end it a baking protocol was appropriately developed to the particular characteristics of spelt wheat and a selection protocol was proposed for the sensory analysis of breads, after proper training and validation of judges. Considering the HMW glutenin composition of the cultivars, the influence on the sedimentation volume and the baking strength was proven. The composition of puroindolines was reflected in the endosperm hardness parameter. The results show that there are differences between bread wheat and spelt wheat on parameters such as the tenacity and tenacity/elasticity ratio of their masses, the water absorption capacity of the flour and the behavior of the dough during kneading. The values for total time to reach maximum pressure and tolerance to mixing were lower for spelt wheat, and higher values were found for the drop at 250 s and 450 s. Regarding the quality of manufactured bread, spelt wheat had the greatest elasticity of the crumb and higher values in the area and diameter of the cells. These differences in the structure and texture of the crumb were also noticed at a sensory level by the panel of judges. It was determined by a descriptive sensory profile that one of the two loaves of bread made with spelt ('Espelta Navarra') was the most complex in the sense of its attributes of scents and flavors altogether. In this study, no differences were appreciated between the two types of wheat or the protein composition, or minerals or viscosity of the starch.

Subgenome chromosome walking in wheat: A 450-kb physical contig in Triticum monococcum L. spans the Lr10 resistance locus in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.)

For many agronomically important plant genes, only their position on a genetic map is known. In the absence of an efficient transposon tagging system, such genes have to be isolated by map-based cloning. In bread wheat Triticum aestivum, the genome is hexaploid, has a size of 1.6 × 1010 bp, and contains more than 80% of repetitive sequences. So far, this genome complexity has not allowed chromosome walking and positional cloning. Here, we demonstrate that chromosome walking using bacterial artificial chromosome (BAC) clones is possible in the diploid wheat Triticum monococcum (Am genome). BAC end sequences were mostly repetitive and could not be used for the first walking step. New probes corresponding to rare low-copy sequences were efficiently identified by low-pass DNA sequencing of the BACs. Two walking steps resulted in a physical contig of 450 kb on chromosome 1AmS. Genetic mapping of the probes derived from the BAC contig demonstrated perfect colinearity between the physical map of T. monococcum and the genetic map of bread wheat on chromosome 1AS. The contig genetically spans the Lr10 leaf rust disease resistance locus in bread wheat, with 0.13 centimorgans corresponding to 300 kb between the closest flanking markers. Comparison of the genetic to physical distances has shown large variations within 350 kb of the contig. The physical contig can now be used for the isolation of the orthologous regions in bread wheat. Thus, subgenome chromosome walking in wheat can produce large physical contigs and saturate genomic regions to support positional cloning.