Some biochemical aspects of the efficiency of plants

Abstract

The chemical composition of seeds can vary enormously with respect to the major constituents, oil, carbohydrate and protein. Thus oil can vary from about 2% to 70%, carbohydrate from 5% to 80% and protein from 3% to 50% in different seeds. During evolution the pathways of seed metabolism in different crops have taken diverse routes all of which are compatible with seed function. Nevertheless, these differences have important inferences for the dietary value of a particular crop. The breeder in striving to increase yields has furthermore selected for biochemical and physiological characteristics which can lead to constraints to further improvements as expressed for example in the negative correlations between yield and protein content and between yield and protein quality.

This paper examines the biochemical pathways involved in seed metabolism and calculates the efficiency of utilisation of input materials both with respect to the total and the ‘useful’ components of the grain using stoichiometric considerations. Constraints due to controlling reactions in biochemical pathways, those due to inefficient biochemical synthetic routes and limitations due to inputs into the seed, will be analysed. Kinetic as well as thermodynamic constraints will be considered such as those due to varying ammounts, activities or locations of enzymes. Particular emphasis will be placed on protein metabolism.

Zusammefassung

Die chemische Zusammensetzung von Samen kann eine beträchtliche Variation im Hinblick auf die Hauptinhalsstoffe Öl, kohlenhydrate un Eiweiß aufweisen. So kann der Gehalt an Öl von 2% bis 70%, der Gehalt an Kohlenhydraten von 5% bis 80% und der Gehalt an Eiweiß von 3% bis 50% in verschiedenen Samen differieren. Während der Evolution haben sich die Samenstoffwechselwege in verschiedenen Nutzpflanzen in unterschiedliche Richtungen entwickelt, die jedoch alle die Funktion der Samen gewährleisten. Diese Unterschiede sind allerdings auch von großer Bedeutung für den Nährwert einer bestimmten Nutzpflanzenart. Der Pflanzenzüchter hat bei der Erhöhung der Erträge biochemische und physiologische Merkmale seletiert, die allerdings zu Einschränkungen im Hinblick auf die ernährungspysiologische Qualität führen können, wie am Beispiel der negativen Korrelationen zwischen Ertag un Eiweißgehalt und zwischen Ertrag und Eiweißqualität deutlich wird.

In dieser Arbeit werden biochemische Wege des Samenstoffwechsels behandelt und die Leistung bei der Nutzung von Ausgangssubstraten sowohl im Hinblick auf die Gesamtzusammensetzung als auch im Hinblick auf die einzelnen ‘nützliche’ Bestandteile des Samens unter Verwendung von stöchiometrischen Betrachtungen berechnet. Beschränkungen auf Grund von steuernden Reaktionen der biochemischen Stoffwechselwege, auf Grund von ineffizienten biochemischen Synthesewegen und auf Grund der Ausgangssubstrate des Samens werden untersucht. Kinetische und thermodynamische Kontrollschritte werden ebenso in die Betrachtungen einbezogen wie solche, die auf Grund unterschiedlicher Mengen, Aktivitäten und Lokalisierung von Enzymen besteken. Dabei wird der Eiweißstoffwechsel besonders berücksichtigt.